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UNIVERSIDAD NACIONAL
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
Liliana Berenice Mondragón Gómez
ING. ANA MARISSA JUÁREZ MENDOZA
MÉXICO, D.F. MAYO 2011
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA
DE MÉXICO
FACULTAD DE INGENIERÍA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ENTRENADOR
MIOELÉCTRICO
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIEROS MECATRÓNICOS
PRESENTAN:
Juan Enrique Argüelles Morales
Liliana Berenice Mondragón Gómez
DIRECTORA DE TESIS:ING. ANA MARISSA JUÁREZ MENDOZA
MÉXICO, D.F. MAYO 2011
AUTÓNOMA
FACULTAD DE INGENIERÍA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIEROS MECATRÓNICOS
Juan Enrique Argüelles Morales Liliana Berenice Mondragón Gómez
TESIS: ING. ANA MARISSA JUÁREZ MENDOZA
MÉXICO, D.F. MAYO 2011
Agradecimientos
Agradecimientos:
Se agradece al proyectoPAPIIT IN110809-3 “Diseño y caracterización de prótesis de miembro inferior y superior” y al proyecto IXTLI IX100510 “Inmersión en realidad virtual para la obtención de parámetros biológicos en el diseño e implementación de prótesis de miembro superior” por su apoyo en la realización de este trabajo de tesis.
Objetivos y Alcances
CONTENIDO OBJETIVOS Y ALCANCES ----------------------------------------------- 1 INTRODUCCIÓN-------------------------------------------------------------- 2 CAPÍTULO 1: ANTECEDENTES
1.1 Anatomía y fisiología del músculo esquelético--------- 4
1.2 Señales Mioeléctricas-----------------------------------------11
1.3 Biofeedback------------------------------------------------------16
1.4 Trabajos similares----------------------------------------------17
CAPÍTULO 2: DISEÑO CONCEPTUAL Y DE CONFIGURACIÓN
2.1 Identificación de las necesidades--------------------------19
2.2 Especificaciones de diseño----------------------------------21
2.2.1 Ambiente 2.2.2 Vida en servicio 2.2.3 Mantenimiento 2.2.4 Costo del producto 2.2.5 Tamaño 2.2.6 Peso 2.2.7 Material 2.2.8 Tiempo de vida 2.2.9 Calidad y confiabilidad 2.2.10 Escala de tiempo
2.3 Diseño Conceptual----------------------------------------------23
2.3.1 Sensar
Objetivos y Alcances
2.3.2 Acondicionar 2.3.3 Proteger 2.3.4 Procesar 2.3.5 Energizar 2.3.6 Transmisión 2.3.7 Visualizar
2.4 Diseño de configuración------------------------------------41
CAPÍTULO 3: DISEÑO DE DETALLE
3.1 Adquisición de la señal--------------------------------------47 3.1.1 Electrodos 3.1.2 Cables
3.2 Acondicionamiento de la señal----------------------------49
3.2.1 Pre amplificación 3.2.2 Convertidor RMS-DC 3.2.3 Amplificación 3.2.4 Filtrado
3.3 Alimentación del circuito-----------------------------------57
3.4 Circuito de protección clipper-----------------------------60
3.5 Microcontrolador----------------------------------------------62
3.5.1 Conversión analógica a digital
3.6 Transmisión----------------------------------------------------69
3.7 Visualización---------------------------------------------------73
3.7.1 Pantalla de bienvenida 3.7.2 Plug and Play
Objetivos y Alcances
3.7.3 Menú 3.7.4 Pantalla de entrenamiento 3.7.5 Programa base
CAPÍTULO 4: PRUEBAS -------------------------------------------------82 CONCLUSIONES-----------------------------------------------------------95 TRABAJO A FUTURO -----------------------------------------------------97 ANEXOS-----------------------------------------------------------------------99
A. Lesión de plexo----------------------------------------------- 99 B. Especificaciones de los electrodos 3M--------------- 107 C. Programa del microcontrolador------------------------- 109
BIBLIOGRAFÍA ------------------------------------------------------------ 111
Introducción
2
Introducción:
Las señales mioeléctricas son las manifestaciones de los impulsos eléctricos en los
músculos, es a través de ellas que los músculos reciben la información necesaria para
contraerse o relajarse. Cuando se presenta alguna disfunción muscular (como la
hipotrofia) o alguna lesión nerviosa, los músculos no pueden ser utilizados en su
totalidad por lo que van perdiendo tono muscular y con ello la capacidad de realizar
diferentes actividades.
Este trabajo propone el diseño de un sistema de realimentación biológica
(biofeedback), la finalidad de estos sistemas es hacer consciente a la persona que lo
usa de varias funciones fisiológicas por medio de instrumentos que prevean
información de la actividad de dichas funciones con el fin de poder controlarlas en un
futuro. En este trabajo se intenta que el usuario sea capaz de aprender a controlar la
contracción o relajación voluntaria de sus músculos. Este dispositivo tiene la finalidad
de auxiliar en el proceso de rehabilitación, o bien, en el caso de pérdida de algún
miembro del cuerpo, se puede utilizar para evaluar la condición del paciente y así
valorar si es candidato para la utilización de dispositivos mioeléctricos como prótesis u
ortesis.
La idea surge a partir de la necesidad de ayudar a una persona con lesión de plexo
braquial (Anexo A) izquierdo a mejorar su calidad de vida, ofreciéndole un dispositivo
que se adapte a sus condiciones, proporcionándole una herramienta que ayude en su
proceso de rehabilitación. Por otra parte, el alto precio de los equipos de biofeedback
existentes obliga a los pacientes con problemas musculares a acudir a clínicas
especializadas para rehabilitación, lo que aumenta los costos de la terapia, además de
requerir de una significativa inversión de tiempo e interferir con las actividades
esenciales en la vida diaria tales como el trabajo y el ocio.
Una de las principales razones por las cuales el costo de equipos de entrenamiento
mioeléctrico se eleva es debido a que exceden las necesidades del paciente, pues
suelen usarse con diferentes fines aparte de la electromiografía (EMG), como
electrocardiografía (EEG) y electroencefalografía (ECG). Por lo que este dispositivo
será únicamente para la adquisición de señales mioeléctricas de miembro superior.
Este dispositivo capta las señales generadas por la contracción muscular por medio de
electrodos colocados en la región o músculo de interés, permitiendo al paciente ver su
Introducción
3
actividad muscular a través de una interfaz gráfica, logrando así un fortalecimiento
progresivo de su control muscular.
El diseño del prototipo del entrenador mioeléctrico está planteado para la adquisición
de la señal mioeléctrica de miembro superior, de donde se adquiere la señal, se
acondiciona y se transmite por medio de comunicación serial RS-232 hacia la interfaz
gráfica de la computadora, la cual es desarrollada en LabVIEW.
El entrenador está compuesto de cinco tipos de entrenamiento, los cuales son,
entrenamiento por contracción máxima (la señal mioeléctrica tiene que superar cierto
nivel de voltaje), entrenamiento por contracción controlada (la señal mioeléctrica tiene
que permanecer dentro de dos umbrales), entrenamiento con umbral progresivo (la
señal tiene que ir superando el umbral que irá aumentando automáticamente),
entrenamiento con umbral aleatorio (la señal se tiene que ir adaptando a los cambios
aleatorios del umbral, los cuales pueden ser crecientes o decrecientes) y
entrenamiento por contracción mínima, este tipo de entrenamiento es usada para
reducir la actividad del músculo que está sobreactivado.
El desarrollo de esta tesis se encuentra divido en diferentes capítulos, el primer
capítulo es de antecedentes, en el cual, se explica la anatomía y fisiología del músculo
esquelético, el origen de las señales mioeléctricas, así como en qué consiste la técnica
de biofeedback y finalmente se habla de los diferentes dispositivos de biofeedback que
existen actualmente en el mercado.
En el segundo capítulo, denominado diseño conceptual y de configuración, se
determinan las especificaciones de diseño del entrenador, así como las diferentes
etapas para la correcta adquisición y visualización de las señales en la computadora.
Se generan conceptos sobre las posibles maneras de satisfacer las etapas y se
proponen diferentes alternativas de diseño para el prototipo final.
El tercer capítulo se denomina diseño de detalle, en el cual se explican detalladamente
los conceptos que se seleccionaron para el primer prototipo del entrenador, se
exponen las características de cada uno de los circuitos escogidos. Se explican de
igual manera las etapas de la interfaz gráfica y se muestra como quedó conformada.
En el último capítulo se muestra una serie de pruebas, con el fin de demostrar que
tanto los circuitos elegidos como la configuración utilizada es la que más satisface a
Introducción
4
nuestras necesidades de diseño y son las que hacen que el primer prototipo del
entrenador mioeléctrico funcione adecuadamente.
Finalmente en la última sección se presentan brevemente los resultados obtenidos, así
como las conclusiones a las que se llegaron y las recomendaciones para trabajos
futuros dentro de la misma línea de investigación.
Capítulo 1. Antecedentes
4
Capítulo 1. Antecedentes.
1.1 Anatomía y fisiología del músculo esquelético.
El cuerpo humano está formado aproximadamente el 40% de músculo esquelético (o
estriado) y aproximadamente un 10% es músculo liso y cardiaco. Las 3 funciones
principales de los músculos son [1]:
1. Postura o tono muscular
2. Movimiento
3. Generación de calor.
Las características del tejido muscular se enumeran a continuación:
1. Irritabilidad: es la capacidad del tejido muscular para responder a la
estimulación. El músculo es el segundo tejido más irritable, por detrás del tejido
nervioso.
2. Contractilidad: es la capacidad del músculo para producir tensión entre sus
extremos.
3. Distensibilidad: es la capacidad de alargarse o estirarse por medio de una
fuerza exterior al músculo.
4. Elasticidad: es la capacidad de volver a su forma original después de una
contracción o distensión [2].
El músculo esquelético se inserta en los huesos y constituye la porción carnosa de los
miembros y las paredes del cuerpo. Estos músculos reaccionan de manera voluntaria
a estímulos nerviosos.
Organización estructural y funcional de la unidad motora.
La figura 1.1.1 ilustra la organización del músculo esquelético y muestra como está
formado por numerosas fibras cuyo diámetro varía entre 10 y 80 [µm]. Cada una de
estas fibras está formada por subunidades cada vez más pequeñas. En la mayor parte
de los músculos esqueléticos las fibras se extienden a lo largo de toda la longitud del
músculo. Excepto aproximadamente el 2% de las fibras, todas las fibras están
inervadas sólo por una terminación nerviosa, que está localizada cerca del punto
medio de la misma. Un mismo músculo recibe varias fibras nerviosas motoras y la
Capítulo 1. Antecedentes
5
unión entre una sola neurona motora y las fibras musculares que inerva se
llama unidad motora o motoneurona.
Figura 1.1.1 Organización del músculo esquelético [ 3]
Se llama sarcolema a la membrana celular de la fibra muscular, la cual está formada
por una membrana plasmática y una cubierta externa compuesta por una capa
delgada de material polisacárido que contiene numerosas fibrillas delgadas de
colágeno.
La estructura fina del sarcolema es similar a la de otras membranas celulares. Sin
embargo, una característica distintiva de esta membrana es que se continúa dentro de
la fibra del músculo esquelético en la forma de numerosas invaginaciones tubulares y
largas, los túbulos T (túbulos transversales), que se entremezclan con las miofibrillas,
por lo tanto, los túbulos T se extienden profundamente hacia el interior de la fibra y
facilitan la conducción de ondas de despolarización a lo largo del sarcolema.
La figura 1.1.2 muestra las miofibrillas rodeadas por el sistema de túbulos T donde
se puede ver como estos túbulos se comunican con el exterior de la membrana
celular.
Capítulo 1. Antecedentes
6
Figura 1.1.2 Propagación del potencial de acción en la fibra muscular [4]
Este sistema de túbulos T se relaciona con el retículo sarcoplásmico, que almacena
calcio intercelular y forma una red alrededor de cada miofibrilla. El retículo
sarcoplásmico regula la contracción muscular a través del secuestro (que conduce a
relajación) y la liberación (que causa contracción) controlados de iones de calcio
(Ca2+) dentro del sarcoplasma.
El desencadenante para la liberación del ion calcio es la onda de despolarización
transmitida por túbulos T, que origina la abertura de los conductos de liberación de
calcio de las cisternas terminales, resultando así la liberación resultante de iones
calcio al citoplasma en la cercanía de las miofibrillas, es durante este “pulso” de
liberación de iones calcio cuando ocurre la contracción del músculo, el cual en la fibra
muscular esquelética normal dura aproximadamente 1/20 de segundo. [4]
En las fibras musculares inactivas (como en las neuronas), existe siempre una
polarización en su membrana cuya diferencia de potencial, con valores de –80 a –90
[mV] en las fibras esqueléticas, recibe el nombre de potencial de reposo, esto se debe
a la concentración iónica a ambos lados de la membrana, en el medio intracelular es
especialmente abundante el K+ mientras que en el exterior lo es el Na+ (bomba de
sodio-potasio) y Cl-.
Capítulo 1. Antecedentes
7
Inervación del músculo esquelético
El sistema nervioso humano está compuesto por más de 1010 células nerviosas
(neuronas). La neurona es la unidad estructural y funcional del sistema nervioso. Cada
músculo esquelético recibe cuando menos dos tipos de fibras nerviosas, a saber,
motoras y sensoriales. Una neurona motora, como se puede observar en la figura
1.1.3 consta de un cuerpo celular (soma) y tiene, como todas las células un núcleo
celular, mitocondrias, etc., y además neurofibrillas y neurotúbulos.
La neurona tiene dos tipos de prolongaciones, las dendritas y el axón (neurita). A
través del sistema ramificado de dendritas la neurona a la que se le conoce como
estimuladora o inhibidora recibe señales aferentes de otras neuronas (con frecuencia
miles de ellas) y elabora en la membrana celular del soma una señal sumatoria [5].
Figura 1.1.3 Anatomía de la Motoneurona [6]
La figura 1.1.4, muestra la anatomía de la unidad motora a nivel muscular, es decir, el
segmento donde ocurre la unión neuromuscular.
Capítulo 1. Antecedentes
8
Figura 1.1.4 Anatomía de Motoneurona [7]
El nervio motor funciona al suscitarse la contracción. Además, fibras autónomas
inervan los elementos vasculares del músculo esquelético. La especificidad de la
inervación motora está en función del músculo inervado. Si el músculo actúa
caprichosamente, como lo hacen ciertos músculos del ojo, una neurona motora aislada
puede inervar tan poco como cinco a diez fibras musculares esqueléticas, mientras
que un músculo responsable de movimientos potentes y poco precisos (bíceps
braquial) puede tener hasta 2,000 fibras musculares por unidad motora. Las fibras
musculares de una unidad motora siguen la ley de todo o nada (una vez que se
produce un potencial de acción, este se propaga a toda la fibra) de la contracción
muscular.
Algunas características de la unidad motora son:
• Una sola neurona produce contracción simultánea de aprox. 150 fibras
musculares.
• Todas las fibras musculares se contraen y se relajan a un mismo tiempo
• La fuerza total de una contracción se puede controlar ajustando el número de
unidades motoras activadas.
Capítulo 1. Antecedentes
9
Potencial de acción nervioso.
Las señales nerviosas se transmiten mediante potenciales de acción que son cambios
rápidos del potencial de membrana que se extienden rápidamente a lo largo de la
membrana de la fibra nerviosa. Las fases del potencial de acción, figura 1.1.5, son las
siguientes:
Fase de reposo. Éste es el potencial de membrana en reposo antes del comienzo del
potencial de acción.
Fase de despolarización. Cambio de potencial negativo a positivo debido a que la
membrana se hace súbitamente muy permeable a los iones sodio.
Fase de repolarización. Restablecimiento del potencial de membrana en reposo
negativo normal [4].
Figura 1.1.5 Potencial de acción [8]
La figura 1.1.5 muestra las fases del potencial de acción, cuando la célula está en
reposo se encuentra con un potencial negativo -70 [mV], en el momento en que la
célula recibe un estímulo los canales de Na+ se abren permitiendo su entrada en el
interior de la célula, (número 1) haciéndola más positiva y alcanzando los 30 [mV], a
Capítulo 1. Antecedentes
10
partir de este punto la célula se despolariza por si sola hasta aproximadamente
50[mV]. Este cambio de potencial hace que los canales de K+ se abran (número 2),
iniciando un pulso de iones de K+ hacia el exterior de la célula, casi tan rápido como el
flujo de iones de Na+, lo que hace que el potencial dentro de la célula caiga por debajo
de su valor original (número 3) estabilizándose después en su nivel de potencial en
reposo.
Transmisión Neuromuscular.
En el organismo la contracción del músculo esquelético es el resultado de la llegada
de un estímulo indirecto por vía nerviosa. Por la fibra nerviosa discurre una corriente
de acción (impulso nervioso) que no puede transmitirse directamente a la fibra
muscular al existir entre ambas un espacio sináptico.
Cuando el impulso nervioso que baja por una ramificación terminal del axón de una
motoneurona alcanza la placa terminal motora, se libera un transmisor, la acetilcolina,
de la membrana presináptica. Este transmisor excita la membrana presináptica y, si es
adecuado para alcanzar el umbral, se produce un potencial de acción que se desplaza
por las fibras musculares en cualquier dirección (corriente de acción) de la placa
motora terminal hasta los tendones y esto se conoce como excitación muscular. Esta
excitación pone en marcha una serie de mecanismos que finalmente dan lugar a la
contracción muscular.
Todas las fibras musculares de la unidad motora se activan prácticamente de forma
sincronizada, y la suma resultante de los potenciales de acción individuales que se
desplaza por las fibras musculares de la unidad motora se denomina potencial de
acción de la unidad motora. La fuerza de contracción muscular total se incrementa por
medio de dos mecanismos: el reclutamiento de unidades motoras previamente
inactivas y el incremento de la frecuencia de descarga de unidades ya activas.
La figura 1.1.6 muestra a detalle el proceso fisiológico que se lleva a cabo durante la
unión neuromuscular.
Capítulo 1. Antecedentes
11
Figura 1.1.6 Unión Neuromuscular [9]
.
1.2 Señales Mioeléctricas.
Las señales mioeléctricas (figura 1.2.1) provienen tanto de las contracciones como de
las relajaciones de los músculos y representan la corriente generada por el flujo iónico
a través de la membrana de las fibras musculares, las cuales se propagan a través de
los tejidos hasta llegar al lugar donde serán registradas. Así, esta señal se ve afectada
tanto por las propiedades anatómicas como por las fisiológicas de los músculos, por el
esquema de control del sistema nervioso y por las características de la
instrumentación empleada para su detección [10].
En otras palabras una señal mioeléctrica (potencial de acción motora), es la
manifestación de los impulsos eléctricos que producen contracción de las fibras
musculares del cuerpo. El término es frecuentemente usado en referencia con los
músculos esqueléticos que controlan voluntariamente los movimientos [11].
Capítulo 1. Antecedentes
12
Figura 1.2.1 Señal Mioeléctrica [11]
Estas señales se forman por las variaciones fisiológicas de la membrana de la fibra
muscular. Cada músculo tiene varias unidades motoras que son el control real de los
nervios de los músculos. Cada unidad motora dispara un pulso determinado, en una
cierta frecuencia durante el movimiento muscular. La señal mioeléctrica es la señal
superpuesta de todos estos pulsos de las unidades motoras [12].
La amplitud de las señales mioeléctricas varía conforme el nivel de contracción del
músculo, como se muestra en la figura 1.2.2
Figura 1.2.2 Amplitud de la Señal Mioeléctrica [13]
Las características de las señales mioeléctricas varían según del músculo donde se
obtengan, en este entrenador se trabaja únicamente con las señales mioeléctricas de
miembro superior, siendo sus características:
Amplitud: 10[µV]-10 [mV] (pico a pico)
Capítulo 1. Antecedentes
13
Frecuencia: 0-500 [Hz], energía dominante de 50-150 [Hz]
Al ser las señales mioeléctricas de muy poca amplitud son susceptibles a cualquier
tipo de ruido:
• Ruido inherente de los componentes: de 0 a algunos cientos de [Hz], no puede
ser eliminado
• Ruido del ambiente: cualquier mecanismo que genere electromagnetismo
(transmisión de radio y tv, cables de poder eléctrico, bombillas, lámparas
fluorescentes) 60[Hz], esta señal tiene una amplitud del orden de uno a tres
veces más grande que la señal mioeléctrica.
• Movimientos de las partes: entre la superficie del electrodo y la piel y en el
cable que conecta el electrodo al amplificador.
• Inestabilidad de la señal: 0-20[Hz] inestable, se debe considerar como ruido
indeseado.
• Impedancia biológica: causa de ruido debido a humedad y cantidad de grasa
(tejido adiposo) en la región de interés, las cuales impiden una buena
conducción eléctrica.
Por lo que, tanto el ruido como la distorsión de la señal son parte de las señales
eléctricas que forman parte de la señal EMG deseada.
La señal mioeléctrica, cuando se amplifica y registra, se denomina electromiograma, y
el proceso de obtención, procesamiento y análisis de señales electromiográficas
(EMG) se denomina electromiografía [2].
La electromiografía (EMG) es la técnica que permite obtener registros de la actividad
eléctrica que acompaña a la contracción muscular, por medio de electrodos. Por lo
tanto puede proporcionarnos información de la actividad muscular, aunque no haya un
movimiento apreciable, la EMG es muy precisa en un ámbito local, pero es difícil
encontrar lugares para colocar los electrodos que nos den una señal que tenga
relación con un estado general [14].
Se pueden obtener señales EMG para el estudio del movimiento humano utilizando
electrodos de superficie o intramusculares. La amplitud y la anchura de banda de la
señal EMG están determinadas tanto por las fuentes electrofisiológicas y sus
Capítulo 1. Antecedentes
14
distancias hasta los electrodos, como también por los tipos y tamaños de electrodos
utilizados y por el espaciamiento entre los mismos.
Los electrodos de superficie o cutáneos permiten registrar la actividad de masas
musculares a través de la piel. Son preferidos por sus cualidades no invasivas, aunque
la precisión de la señal recogida sea menor debido a que la impedancia biológica
aumenta por la composición celular de la piel (más humedad y más grasa inherente a
ella) además de la cantidad de pelo en la superficie cutánea [15]. El espaciamiento
entre electrodos determina el volumen de registro o recepción del tejido, resultando los
espaciamientos más pequeños en registros más selectivos, para esto se utilizan
protocolos de colocación. Los electrodos de superficie suelen ser de ranura, con pasta
de electrodo llenando la cavidad para conseguir más contacto con la piel y reducir la
impedancia de los electrodos.
La figura 1.2.3 muestra dos electrodos superficiales el de la izquierda es un electrodo
3M red dot infantil y el de la derecha es un electrodo 3M red dot para adulto.
Figura 1.2.3 Electrodos superficiales [16]
Cuando es necesaria una mayor selectividad o hay que estudiar músculos situados a
mayor profundidad, se emplean electrodos intramusculares.
La adquisición de la señal se realiza a través de tres electrodos en la piel. Dos
electrodos son colocados de tal manera que exista un voltaje entre ellos cuando la
señal mioeléctrica ocurra. El tercer electrodo es colocado en un área neutral, y su
salida es usada para cancelar el ruido que puede interferir con las señales entre los
otros dos electrodos.
Capítulo 1. Antecedentes
15
La figura 1.2.4 muestra la ubicación de los 3 electrodos en el miembro superior, dos de
los electrodos son colocados de manera diferencial, con el menor espaciamiento
posible entre ellos y el tercer electrodo se ubica en una zona neutral, es decir, en una
zona donde el movimiento del músculo sea mínimo.
(a) Ubicación de los electrodos diferenciales (b) Ubicación de los 3 electrodos
Figura 1.2.4 Colocación de electrodos en miembro s uperior.
Dadas las pequeñas amplitudes que tienen las señales EMG, se utilizan
preamplificadores diferenciales para lograr un aumento de la señal y reducir o eliminar
señales habituales de mayor amplitud como la interferencia de una red eléctrica de 60
[Hz], o incluso otras señales biológicas como las del ECG. La impedancia de entrada
del amplificador debe ser varios órdenes de magnitud mayor que las impedancias de
los electrodos para evitar la atenuación o distorsión de la señal.
Tanto el ruido de los electrodos como el artefacto de movimiento se reducen mediante
la disminución de la impedancia entre el electrodo y la piel, esto se consigue
humedeciendo la piel con alcohol o raspándola levemente para eliminar las capas
superiores de la epidermis [2].
Aplicaciones de la señal mioeléctrica.
Actualmente existen diversas áreas de investigación basadas en el uso de registros
electromiográficos, tales como la mecánica de la contracción muscular y la descripción
del funcionamiento normal del músculo durante ciertos movimientos y posturas,
también investigaciones acerca de la actividad muscular durante ejercicios y deportes
complejos, así como la validación de estudios anatómicos, estudios de la relación
entre fatiga, fuerza y EMG, entre otras.
Capítulo 1. Antecedentes
16
Dentro de las principales aplicaciones para electromiografía con electrodos
superficiales se encuentra el análisis de movimiento, tal es el caso del estudio de
estrategias de control motor, esto es la activación de músculos agonistas, sinérgicos y
antagonistas, también en el análisis de marcha, identificación en factores
desencadenantes de fisiopatologías, evaluación de cargas en biomecánica
ocupacional y rehabilitación motriz por biofeedback.
Por otro lado la señal mioeléctrica superficial es un importante y efectivo sistema de
control para accionar prótesis. Este tipo de control, conocido como control
mioeléctrico, ha encontrado un amplio uso en personas con amputaciones o
deficiencias congénitas del miembro superior. En estos sistemas, parámetros
voluntariamente controlados de la señal mioeléctrica de un músculo o grupo de
músculos, son usados para seleccionar y modular una función de una prótesis
multifuncional. El reconocimiento de patrones en la señal mioeléctrica es usado para el
control de prótesis mecatrónicas y más recientemente para el control de órtesis.
1.3 Biofeedback.
La palabra Biofeedback significa “biorealimentación”, la cual es una técnica de
tratamiento enfocada al entrenamiento de las personas para modificar conductas
fisiológicas ligadas el sistema nervioso autónomo sobre las que no se tenía control
voluntario previo. Por medio de Biofeedback se obtiene información visual y auditiva
sobre el estado interior del organismo y esta información se utiliza para mejorar la
salud aprendiendo a reducir el estrés o tensión, a controlar la tensión muscular, la
sudoración, la temperatura cutánea, el ritmo cardiaco, la presión sanguínea o la
respiración [17].
En la medicina física, el terapista da a los pacientes una serie de ejercicios para
fortalecer un músculo dado o cierto grupo de músculos. Ocasionalmente, dada una
terapia de ejercicios, el paciente inadvertidamente usa músculos substitutos para crear
el patrón de movimiento deseado. Cuando el monitoreo por EMG superficial es usado,
si un patrón de sustitución de músculos es notado, el paciente puede ser entrenado
usando el sistema de biofeedback para ejercitar sólo el músculo deseado durante el
ejercicio.
Las técnicas de biofeedback pueden ser agrupadas en tres categorías: entrenamiento
por contracción mínima (downtraning o relajación sistemática), entrenamiento por
Capítulo 1. Antecedentes
17
contracción máxima (uptraining) y entrenamiento controlado. La técnica de contracción
mínima sirve como apoyo en el aprendizaje sobre la relajación muscular en pacientes
con problemas de contracciones permanentes involuntarias. El método de relajación a
seguir, depende de los hábitos del paciente así como la o las causas que originen este
padecimiento. En un método de exploración sistemática de relajación, el paciente debe
concentrarse en relajar el músculo de interés poco a poco, haciéndolo de manera
consciente. Cuando las causas son psicológicas, el paciente debe realizar actividades
mentales que reflejen en el entrenador su nivel de relajación disminuyendo su
actividad muscular, aquí, el paciente es responsable de explorar y conocer dichas
actividades. En otro método, si el paciente disfruta de representaciones visuales,
deben reforzarse estas actividades como parte del entrenamiento, por ejemplo, cerrar
los ojos y ser guiado por el terapista a través de una experiencia relajadora, como
recostarse en una cama de playa en un día soleado, en la calidez del sol y el mar.
El entrenamiento por contracción máxima ayuda a fortalecer el músculo hipotrófico o
debilitado con base en series de repeticiones (como en el gimnasio) las cuales
consisten en superar un límite de voltaje que debe ser ajustado de acuerdo con el tipo
de lesión y nivel de control del paciente sobre el músculo en cuestión, para lo cual es
necesaria la asesoría de un experto en rehabilitación física o de manera empírica e
independiente por cada paciente. A largo plazo, esto ayudará al músculo a fortalecerse
y fortalecer las conexiones nerviosas existentes entre el músculo y sistema nervioso
motriz.
El entrenamiento controlado consiste en dos umbrales dentro de los cuales se debe
concentrar la actividad muscular. Este tipo de entrenamiento se enfoca en ayudar al
paciente a adquirir la habilidad de percibir que tan tenso o activo realmente se
encuentra su músculo. Se diferencia del entrenamiento superior e inferior en que el
paciente tiene que controlar la contracción muscular por niveles en lugar de exceder o
mantenerse por debajo del umbral. La meta es que el paciente, por propiocepción,
sepa cual es una contracción débil y cual es una contracción fuerte, tomando como
referencia su nivel máximo de contracción [18].
Capítulo 1. Antecedentes
18
1.4 Trabajos similares.
• Se realizó un entrenador mioeléctrico de prótesis para amputados de brazo o
mano por Alonso Alonso A, Homero Sánchez R., Espino Hurtado P., De la
Rosa Steinz R. y Liptak L. en el 2002, el cual consta de, un módulo de
adquisición de la señal, un módulo de software de reconocimiento de patrones,
un módulo de software de simulación gráfica tridimensional para la prótesis y
un módulo software para el entrenamiento de pacientes [19].
• Se desarrolló como etapa previa al trabajo antes descrito una ”Herramienta
Gráfica para entrenadores de prótesis mioeléctricas”, por Ramón de la Rosa,
Alonso Alonso, Roberto Homero, Daniel Abasolo y Víctor Rodríguez. La cual se
desarrolló por que los pacientes tenían dificultades para poder familiarizarse
con el manejo de la representación tridimensional del brazo, dicho trabajo
ofrece una representación bidimensional de la actividad muscular [20].
• Se ha desarrollado una plataforma de un sistema de entrenamiento
neuromuscular, por Ramón de la Rosa, Sonia de la Rosa, Alonso Alonso y Lara
Val. Es una plataforma portable en tiempo real, únicamente para el
entrenamiento de miembro superior. Consiste en un juego que se denominó
Mio-Pong y es básicamente una mesa de tenis, donde el usuario hará su
entrenamiento mientras juega [21].
• Entrenador Mioeléctrico QNET 2010, desarrollado por National Instruments, es
un entrenador que pretende introducir a los estudiantes a la ingeniería
biomédica. Se puede controlar un servomotor usando la electromiografía, es
decir, contrayendo los músculos [22].
Capítulo 2. Diseño conceptual y de configuración
19
Capítulo 2. Diseño conceptual y de configuración.
2.1 Identificación de las necesidades.
Considerando y empleando los términos presentados en el capítulo 1, en este capítulo
se presentan las características del entrenador mioeléctrico que se va a diseñar, con
base en las necesidades del paciente.
Necesidad básica.
Se requiere de un sistema de biofeedback (entrenador mioeléctrico) capaz de ayudar
al fortalecimiento y mejoramiento de la respuesta muscular a estímulos autónomos,
(estímulos generados por el sistema nervioso) que ayude en el proceso de
rehabilitación de pacientes con hipotrofia muscular por lesiones nerviosas.
Definición del problema.
El alto precio de los equipos de biofeedback existentes obliga a los pacientes con
problemas musculares acudir a clínicas especializadas para rehabilitación, lo que
aumenta los costos de la terapia, además de requerir de una significativa inversión de
tiempo e interferir con las actividades esenciales en la vida diaria tales como el trabajo
y el ocio.
Una de las principales razones por las cuales el costo de equipos de entrenamiento
mioeléctrico se eleva es debido a que exceden las necesidades del paciente, pues
suelen usarse con diferentes fines aparte de la electromiografía (EMG), como
electrocardiografía (EEG) y electroencefalografía (ECG).
Requerimientos del usuario.
Se obtuvo información del usuario sobre los requerimientos necesarios que desea
cubra el entrenador.
Requerimientos funcionales.
• Funcional. Que el entrenador sirva conforme a sus características de diseño.
Capítulo 2. Diseño conceptual y de configuración
20
• Seguro. Que el entrenador ofrezca al paciente seguridad de uso, de manera
que no haya preocupaciones por alguna descarga eléctrica que el paciente
pudiera sufrir.
• Durable. Que todos los componentes del entrenador tengan un tiempo de vida
prolongado.
• Manejable. Que el entrenador sea de tamaño adecuado para su manipulación.
• Práctico . Que se concentre en su finalidad de entrenador mioeléctrico, de
manera directa y sencilla.
• Fácil de usar. Que las conexiones del cuerpo al entrenador sean fáciles de
realizar y la interfaz gráfica sea entendible.
• Ligero, compacto y portátil. Que el peso sea el adecuado, de manera que el
paciente pueda trasladarlo de un lugar a otro sin dificultades.
• Escalable. Que la interfaz ofrezca niveles de dificultad, que puedan ser
controlados por el usuario.
• Económico. Que el costo del entrenador sea asequible para la media de la
población en México.
Requerimientos no funcionales.
• Cómodo. Que la colocación de los electrodos sea lo más confortable posible y
que el paciente no sienta molestias.
• Bajo Mantenimiento. Que el entrenador se pueda conservar en buenas
condiciones a medida que pasa el tiempo con un mantenimiento tanto
preventivo como correctivo.
Estos requerimientos fueron calificados por el usuario en orden de importancia,
siendo aquellos que consideró primordiales los asociados al número 5 y los de
menor importancia al número 1. (Tabla 2.1.1).
Capítulo 2. Diseño conceptual y de configuración
21
5 4 3 2 1
Funcional Cómodo Ligero, compacto y portátil Económico Estético
Seguro Práctico Escalable (que pueda
aumentar progresivamente la dificultad)
Bajo mantenimiento
Fácil de usar (amigable)
Durable
Tabla 2.1.1 Requerimientos del cliente.
Con base en los requerimientos establecidos se determinaron las especificaciones, las
cuales se presentan a continuación.
2.2 Especificaciones de diseño. Independientemente de la etapa de diseño en la que se encuentre el proyecto, las
especificaciones de diseño servirán como referencia básica en todo momento. Las
especificaciones son dinámicas, es decir, si en algún momento del desarrollo hay una
buena razón para cambiarlas, se debe hacer para mejorar el diseño.
En la fase final del desarrollo del producto las especificaciones de diseño deberán
estar en equilibrio con el diseño del producto incluso cuando las especificaciones sean
dinámicas.
Las especificaciones que se tomaron en cuenta se listan a continuación:
2.2.1 Ambiente
• Los rangos de temperatura, presión y humedad a los que se encontrará el
entrenador durante su diseño, manufactura y uso serán los estándares de la
Ciudad de México:
Temperatura: 2°C - 28°C
Capítulo 2. Diseño conceptual y de configuración
22
Presión: 77800 Pa
Humedad: 12% - 90%
2.2.2 Vida en servicio
• El entrenador está diseñado para trabajar tres horas continuas con la batería y
el tiempo que se desee con el eliminador.
2.2.3 Mantenimiento
• Deberá ser de mantenimiento mínimo y sencillo; cuando en la interfaz gráfica
no se vea la señal mioeléctrica o presente alguna distorsión, deberá hacerse
un chequeo individual de los circuitos, para verificar que estén funcionamiento
correctamente. Los circuitos integrados que se detecte que fallen, deberán y
podrán ser cambiados de manera sencilla.
2.2.4 Precio del producto
• El precio del entrenador deberá ser menor que los actualmente existentes en el
mercado, ya que al ser un entrenador más específico, estará basado
únicamente en la EMG y por lo tanto el precio del producto será mucho más
asequible para las personas de clase media. Aproximadamente $3000 pesos
(precio neto de los componentes).
2.2.5 Tamaño
• Las dimensiones del entrenador serán aproximadamente de 11x7 [cm] con el
fin de que pueda ser transportado sin problema.
2.2.6 Peso
• La masa del entrenador será de aproximadamente 600 [g], de manera que el
peso de éste no sea un problema para la persona que necesite transportarlo
para entrenar.
2.2.7 Material
• El material de la carcasa debe ser de bajo peso, resistente y aislante para
proteger el circuito y alargar su vida útil.
Capítulo 2. Diseño conceptual y de configuración
23
2.2.8 Tiempo de vida
• Debido a que desgraciadamente el ser humano seguirá sufriendo lesiones
musculares, y como representa la fase de entrenamiento para uso de prótesis
mioeléctricas este entrenador siempre será necesario. Este prototipo servirá de
apoyo a futuras investigaciones, y su vigencia dependerá de los avances
tecnológicos así como del progreso que el paciente tenga en su recuperación.
2.2.9 Calidad y confiabilidad
• Como se trata de un producto que será utilizado por el paciente en su vida
cotidiana, el entrenador debe ser sumamente confiable y de buena calidad para
lograr su objetivo. La calidad del dispositivo se evaluará en función del servicio
que brinde al paciente y de su eficacia, lo cual depende de series de pruebas a
largo plazo (meses o años, dependiendo del daño y tipo de programa de
rehabilitación), las cuales por razones obvias de tiempo no se presentan en
este trabajo, sin embargo se establecen las bases teóricas y prácticas
necesarias para poder realizar dichas pruebas. Por su parte, la confiabilidad se
podrá medir en función de que sea seguro para el paciente, esto es que el
dispositivo no produzca descargas eléctricas, así como la protección necesaria
para el circuito y todos los componentes del dispositivo, asegurando el buen
funcionamiento del mismo. Es importante tomar en cuenta que no se trabajará
con altos voltajes ni corrientes y deberá tener buenos acabados.
2.2.10 Escala de tiempo
• Se trata de un proyecto de un año, el cual se inicia desde cero hasta la fase
terminal, se pretende que al término del proyecto el usuario sea capaz de usar
su entrenador y empiece con el entrenamiento pertinente.
2.3 Diseño Conceptual.
El diseño conceptual toma la definición del producto y sus especificaciones para
establecer aspectos de funcionamiento, componentes principales, materiales,
procesos generales y características del producto a un grado en el cual se puedan
estimar costos, y la factibilidad de llevarlo a producción y tener una comercialización
exitosa.
Capítulo 2. Diseño conceptual y de configuración
24
El diseño conceptual se divide esencialmente en dos componentes cíclicos:
1. La generación de conceptos que den soluciones a los requerimientos del
producto.
2. La evaluación de dichas soluciones, para seleccionar los conceptos que más
satisfagan a las especificaciones de diseño anteriormente expuestas.
Es conveniente dividir el problema, es decir, el desarrollo del producto y de esta
manera facilitar el resolver problemas complejos dividiéndolos en partes. Esto también
facilita la planeación y control del trabajo.
El proyecto de manera general se esquematiza en la figura 2.3.1, en la cual se señala
la entrada al sistema, el sistema como una caja negra y el resultado proveniente de la
caja negra que en este caso sería del entrenador mioeléctrico.
Figura 2.3 .1 Esquema general del proyecto.
Se descompuso el producto de acuerdo a las funciones o aspectos que se desea
desempeñe. La figura 2.3.2 muestra de manera desglosada las funciones que debe
realizar el entrenador, esto con la finalidad de identificar cada uno de las etapas de
diseño y de esta manera, buscar soluciones y analizar posteriormente las más
adecuadas para el mismo.
Flujo de funciones.
Capítulo 2. Diseño conceptual y de configuración
25
Figura 2.3.2 Identificación de las etapas del entr enador.
A continuación se describe y analiza cada una de las etapas de diseño del entrenador,
de manera de tener la información necesaria para poder escoger la alternativa de
solución que mejor cumpla con las necesidades, las especificaciones y los
requerimientos de diseño.
Descripción de funciones.
2.3.1 Sensar. Un sensor es un dispositivo que nos permite registrar la actividad
eléctrica generada durante la contracción muscular. Los sensores que nos permiten
captar la señal del músculo son los electrodos, los cuales pueden ser superficiales o
intramusculares.
El electrodo está formado por una superficie metálica y un electrolito en contacto con
la piel, por lo tanto, existen dos transiciones en el camino de la señal mioeléctrica entre
el interior del cuerpo y el sistema de medida. La primera es el contacto entre la piel y el
electrolito, la segunda es el contacto entre el electrolito y la parte metálica del
electrodo. La presencia de estas interfaces provocará un intercambio iónico con la
consiguiente aparición de un potencial de electrodo.
Capítulo 2. Diseño conceptual y de configuración
26
Electrodo superficial. Los electrodos de superficie o cutáneos van unidos a la piel
sobre el segmento muscular que se está estudiando, se utilizan para estudiar la
actividad de todo el músculo superficial. Estos electrodos pueden ser desechables o
reutilizables con una protección de plástico y un cuello adhesivo por ambos lados. Su
diámetro va de 2 a 10 [mm] para la parte activa del electrodo. Son preferidos por sus
cualidades no invasivas, aunque la precisión de la señal recogida sea menor que la de
los intramusculares.
Electrodo intramuscular. Los electrodos intramusculares se insertan en la piel en el
tejido fino del músculo que se desea analizar, son utilizados cuando hace falta una
mayor selectividad o se desea estudiar músculos situados a mayor profundidad, estos
electrodos son más selectivos que los superficiales y no se observan cruces (registros
de músculos activos adyacentes) que pueden ocurrir cuando se utilizan electrodos de
superficies sobre músculos superficiales de escaso tamaño. Consisten en dos hilos
metálicos con un diámetro variable entre 50 y 75 [µm], totalmente aislados con
excepción de la punta. Aunque son más precisos que los superficiales, la incomodidad
de estos sensores, los hacen poco viables para cubrir el requerimiento.
2.3.2 Acondicionar. El acondicionamiento permite que la señal registrada sea
factible de procesar o leer. Dentro del acondicionamiento se encuentran las siguientes
etapas:
Amplificación
Filtrado
Aislamiento
A continuación se explican las etapas del acondicionamiento presentes en el diseño
del entrenador.
Amplificación - Es el tipo más común de acondicionamiento. Para conseguir la mayor
precisión posible la señal de entrada deber ser amplificada de modo que su máximo
nivel coincida con la máxima tensión que el convertidor pueda leer.
Dado que las señales mioeléctricas son de pequeñas amplitudes, la primera función a
realizar al acondicionar la señal, será amplificar las débiles señales entregadas por el
electrodo, hasta niveles utilizables por el resto de los componentes del sistema. El
Capítulo 2. Diseño conceptual y de configuración
27
amplificador de señales débiles que realice esta tarea será, por lo tanto, un
componente crítico y fundamental del sistema de instrumentación.
Para la etapa de amplificación se pueden usar amplificadores operacionales
convencionales y amplificadores de instrumentación.
Sin embargo el amplificador de instrumentación se caracteriza por amplificar señales
mucho más débiles como lo son las señales mioeléctricas, en comparación con los
amplificadores operacionales convencionales.
El amplificador de instrumentación está diseñado para la medición, instrumentación y/o
control, integrado por varios amplificadores operacionales y resistencias de precisión,
haciendo de él un circuito en extremo estable y útil cuando es importante la precisión.
Una de las desventajas de utilizarlos, es su precio relativamente alto (respecto al
amplificador operacional promedio) que se compensa con su buen rendimiento.
Debido a estas características, el amplificador de instrumentación será parte
fundamental del circuito.
Filtrado - Los filtros son circuitos que permiten el paso de una determinada banda de
frecuencias mientras atenúan todas las señales que no están comprendidas dentro de
esa banda. Existen filtros pasivos y activos. Los filtros pasivos sólo tienen resistencias,
inductores y capacitores. En los filtros activos, se utilizan transistores o amplificadores
operacionales además de las resistencias, inductores y capacitores.
Existen cuatro tipos de filtros: pasa bajas, pasa altas, pasa banda y de eliminación de
banda (también conocidos como de rechazo de banda, muesca o notch). El filtro paso
bajas es un circuito cuyo voltaje de salida es constante, desde cc hasta llegar a cierta
frecuencia de corte, fc. Conforme la frecuencia va aumentando por arriba de fc, el
voltaje de salida se atenúa.
Capítulo 2. Diseño conceptual y de configuración
28
Los filtros pasa altas atenúan el voltaje de salida de todas las frecuencias que están
por debajo de la frecuencia de corte. Los filtros pasa banda sólo dejan pasar una
banda de frecuencias mientras atenúan las demás frecuencias que están fuera de la
banda. Los filtros de eliminación de banda rechazan determinada banda de
frecuencias, por lo que pasan todas las frecuencias que no pertenecen a la banda
[23].
Debido a las características de la señal mioeléctrica, se requiere de un filtro de
frecuencia activo analógico que permita el paso de las frecuencias correspondientes a
la actividad eléctrica generada por el músculo. Para estos fines se utilizan
amplificadores diferenciales convencionales, cuyo costo suele ser bajo y en una
configuración adecuada, logran reducir o eliminar señales habituales de mayor
amplitud como la interferencia de una red eléctrica (60 [Hz]), o incluso otras señales
biológicas como las del ECG y la respiración (Capítulo 1, sección 1.2).
Existen diferentes configuraciones de filtros los cuales varían en su comportamiento,
los filtros más habituales por su facilidad de configuración son.
Filtro de Butterworth, con una banda de paso suave y un corte agudo.
Capítulo 2. Diseño conceptual y de configuración
29
Filtro de Chebyshev, con
un corte agudo pero con
una banda de paso con
ondulaciones.
Filtro de Bessel, tiene una
banda bastante plana y
una banda eliminada
monotónica parecida a la
de Butterworth. Para un
filtro del mismo grado, la
caída en la zona de
atenuación es mucho
menor.
Filtros elípticos
o filtro de Cauer, que
consiguen una zona
de transición más
abrupta que los
anteriores a costa de
oscilaciones en
todas sus bandas.
Capítulo 2. Diseño conceptual y de configuración
30
Aislamiento - Otra aplicación habitual en el acondicionamiento de la señal es el
aislamiento eléctrico entre el sensor y el ordenador, para proteger al mismo de
transitorios de alta tensión que puedan dañarlo. Un motivo adicional para usar
aislamiento es el garantizar que las lecturas del convertidor no son afectadas por
diferencias en el potencial de masa o por tensiones en modo común.
2.3.3 Proteger. El circuito debe estar aislado y protegido para evitar daños
causados por el ambiente así como proteger al usuario de posibles descargas
eléctricas durante su manipulación.
El tipo de protección tendrá que cumplir principalmente con los requerimientos de ser
ligero, compacto, portátil y durable. La carcasa parte de la necesidad de aislar al
circuito para protegerlo de factores ambientales y cuestiones de manipulación, que
pudieran generar daños al circuito y posibles descargas eléctricas al usuario, por lo
que la caja debe ser una estructura sellada que sólo permita las conexiones
necesarias para alimentación y comunicación.
Por lo que surge la necesidad de examinar diferentes materiales para comparar sus
ventajas y desventajas y de esta manera elegir el material que más se ajuste a
nuestras necesidades de diseño. Los materiales que se proponen se encuentran
contenidos en el esquema de abajo.
Capítulo 2. Diseño conceptual y de configuración
31
Dentro de los posibles y más comunes materiales se pueden mencionar el grupo de
los metales y el de los polímeros. A continuación se presentan las características más
importantes de cada uno de los materiales que se encuentran en el esquema superior.
• Aluminio
El Aluminio posee las siguientes características:
- Es liviano, con una densidad de 2.7 g/cm3 , un tercio el peso del acero
- Fuerte y de larga duración
- No tóxico
- Resistente a la corrosión, debido a que genera de forma natural una
capa de óxido que lo hace muy resistente a la corrosión.
- Excelente conductor de calor y la electricidad
- No magnetizable
- De fácil manejo
- Reciclable
• Latón.
El Latón posee las siguientes características [25]:
Capítulo 2. Diseño conceptual y de configuración
32
- Densidad variable de 8,4 g / cm3 a 8,7 g / cm3
- Material fácilmente moldeable con una temperatura de fusión de 980°
C., inferior a la del hierro, los aceros, el bronce y el cobre puro.
- Admite bien la deformación en frio
- Buen conductor de la electricidad
- Buen conductor térmico
- Buena resistencia a la corrosión
- Excelentes propiedades de soldadura
- Excelente maquinabilidad
- Metal fácilmente reciclable
- No se altera a temperaturas entre -100 y 200°C ni se degrada con la luz
- Buena resistencia al desgaste
• Poliestireno de alto impacto (HIPS).
El Poliestireno posee las siguientes características:
- Es más fuerte que el poliestireno de uso general
- No quebradizo
- Aceptable resistencia al impacto
- Elevada fuerza de tensión
- Liviano
- Muy baja elongación
- Buena resistencia al agua
Capítulo 2. Diseño conceptual y de configuración
33
- Muy buena procesabilidad, es decir, se puede procesar por los métodos
de conformado empleados para los termoplásticos, como inyección y
extrusión.
• ABS
El ABS posee las siguientes características:
- Densidad variable de 1.03 a 1.07 g/cm3
- Muy alta resistencia al impacto
- Buena resistencia mecánica
- Alta tenacidad
- Alta dureza y rigidez
- Alta resistencia a la abrasión
- Baja absorción de agua
- Facilidad para el procesado
- No tóxico
- Estabilidad dimensional
• Nylamid.
El Nylamid posee las siguientes características:
Capítulo 2. Diseño conceptual y de configuración
34
- Densidad variable de 1.11 g/cm3 a 1.16 g/cm3
- Facilidad de maquinado
- Buenas propiedades mecánicas y eléctricas
- Resistencia a la abrasión
- Gran resistencia al desgaste
- Balance ideal de resistencia y tenacidad
- Muy alta resistencia al impacto
- Alto módulo de elasticidad
- Poca absorción de humedad
- Rigidez
- Maleabilidad
- Buena relación costo-beneficio
- Disponibilidad en el mercado
• PVC (Policloruro de vinilo).
El PVC posee las siguientes características:
- Densidad variable de 1.36 g/cm3 a 1.40 g/cm3
- Rango de temperatura de trabajo -15ºC +60ºC.
- Resistencia, rigidez y dureza mecánicas elevadas
- Buen aislante eléctrico
- Mínima absorción de agua
- Fácil de pegar y soldar
- Resistente a la intemperie (sol, lluvia, viento y aire marino).
Capítulo 2. Diseño conceptual y de configuración
35
2.3.4 Procesar. El procesamiento de la señal debe codificar la parte útil de la
señal mioeléctrica.
El procesamiento analógico efectúa los cálculos y las transformaciones que necesita la
señal de manera rápida, con alguna configuración de componentes electrónicos. El
procesamiento analógico debe cumplir con las características de los tipos de
entrenamiento (Capítulo 1, sección biofeedback).
En términos prácticos, un entrenamiento mioeléctrico, requiere del registro de la
amplitud (nivel de voltaje o potencial de acción) generada de la señal mioeléctrica, la
cual es directamente proporcional al nivel de hipertrofia y cantidad de conexiones
mioneurales en el músculo del paciente, por lo tanto, para una primera etapa en el
desarrollo del entrenador, la parte útil de la señal mioeléctrica será sólo aquella que
registre las crestas o picos de la actividad muscular, por lo cual, esta etapa de
procesamiento analógico debe estar enfocado a generar dicho registro. Este registro
puede ser logrado de manera digital, sin embargo, la naturaleza de la señal
mioeléctrica (gama de frecuencias y amplitud) puede complicar el procesamiento y
envío de datos, perdiendo información y aumentando la complejidad del circuito
eléctrico.
Concepto: RMS.
Para obtener un valor de corriente continua que se asemeje al efecto producido por la
señal mioeléctrica, se puede utilizar el concepto de valor cuadrático medio (RMS) o
valor eficaz. Esta es una manera práctica conseguir el promedio de amplitud de la
señal. Para ello existen circuitos integrados capaces de realizar internamente esta
operación.
Concepto: Detector de nivel.
Son circuitos constituidos básicamente por amplificadores diferenciales, los cuáles,
parten de una referencia de voltaje para determinar si la señal de entrada es mayor (o
Capítulo 2. Diseño conceptual y de configuración
36
menor, dependiendo de la configuración) y enviar una señal de salida que indique el
momento en el que se detecta un pico. Sin embargo, al sólo registrar valores de la
señal casi puntuales, se pierde información y hacen poco flexible al sistema.
El procesamiento digital se efectúa comúnmente como una conversión analógica-
digital de la señal como interfaz entre dispositivos analógicos y digitales. En este
punto, el procesamiento digital se encargará de tomar la información procesada
analógicamente y convertirla en información que pueda ser visualizada en una gama
amplia de dispositivos tales como una computadora.
Este procesamiento puede llevarse a cabo mediante un circuito convertidor analógico-
digital, este puede ser un circuito integrado o parte de un complejo microcontrolador.
Para fines del prototipo, se usará un microcontrolador con módulo de conversión
analógica-digital y módulo de transmisión y recepción de datos, con lo cual, el
procesamiento digital se complementa con el envío y transmisión de información a la
etapa de visualización.
2.3.5 Energizar. El circuito debe ser alimentado por alguna fuente de energía
para su funcionamiento.
Baterías - Existen dos clases de pilas: la primaria, cuya carga no puede renovarse
cuando se agota, excepto reponiendo las sustancias químicas de que está compuesta,
y la secundaria, que sí es susceptible de reactivarse sometiéndola al paso más o
menos prolongado de una corriente eléctrica continua, en sentido inverso a aquél en
que la corriente de la pila fluye normalmente.
En general, se venden principalmente 3 tipos de pilas no "recargables" compuestas
por los siguientes minerales:
Capítulo 2. Diseño conceptual y de configuración
37
Carbón – zinc: Tienen un contenido de mercurio inferior al 0,025% de su peso total. Es
la pila más corriente, utilizada ampliamente en aparatos de bajo consumo como: radios
portátiles, linternas, juguetes y aparatos mecánicos. Suministra una fuerza
electromotriz de 1,5V. Su capacidad de almacenamiento de energía es bastante
reducida y, además, tienen tendencia a descargarse cuando no se utilizan.
Alcalinas: Tiene un contenido de mercurio que ronda el 0,1% de su peso total. Es una
versión mejorada de la pila anterior en la que se ha sustituido el conductor iónico
cloruro de amonio por hidróxido potásico (de ahí su nombre de alcalina). La cantidad
de mercurio empleada para regularizar la descarga es mayor. Esto le confiere mayor
duración, más constancia en el tiempo y mejor rendimiento. Por contra su precio es
más elevado. También suministra una fuerza electromotriz de 1,5 V. Se utiliza en
aparatos de mayor consumo como: grabadoras portátiles, juguetes con motor, flashes
electrónicos.
Óxido de mercurio: También llamadas pilas botón, con un contenido de mercurio de
alrededor del 30% de su peso. La fuerza electromotriz producida es de 1,35 V.
Proporcionalmente contiene mayor cantidad de mercurio que las anteriores lo que las
hace más contaminantes. La ventaja de esta pila es que puede construirse con un
tamaño muy reducido (de ahí su nombre) lo que permite utilizarla en aparatos de
pequeño tamaño que requieran una importante capacidad de energía como: relojes,
calculadoras extraplanas, audífonos. Sin embargo este tipo de pilas es bastante más
cara que las anteriores.
El mercado ofrece, tres tipos de pilas recargables: NiCd, NiMH y LiIon:
NiCd (Nickel Cadmium): También llamadas de Níquel Cadmio, éste es el tipo de pila
recargable que surgió primero. Normalmente, las pilas NiCd son más baratas. Sin
embargo, tienen menor tiempo de vida útil, además de tener menor capacidad de
carga.
Las baterías de Níquel Cadmio pueden sufrir de un problema llamado "efecto
memoria". Cuando eso ocurre, la pila deja de ser cargada totalmente por su
composición química y da señal de que la carga está completa. Las pilas NiCd están
cada vez más en desuso, pues además del efecto memoria, de su menor capacidad y
del menor tiempo de vida útil, ese tipo de batería es muy contaminante, ya que el
cadmio es un elemento químico altamente tóxico y perjudicial para el medio ambiente.
Capítulo 2. Diseño conceptual y de configuración
38
NiMH (Níquel-Metal Hydride): También denominadas de Níquel Metal Hidreto, las pilas
NiMH son el tipo más utilizado actualmente, pues ofrecen mayor capacidad, mayor
tiempo de vida y soportan más recargas si se las compara al NiCd (dependiendo del
fabricante). Además, son menos contaminantes, ya que no utilizan materiales
pesados, como el cadmio. Otra ventaja de ese tipo es la no existencia del efecto
memoria.
Hay también un tipo llamado LiIon (Lithium Ión), también conocido como Litio Ión. Las
baterías que usan ese patrón son las más ventajosas, pues poseen un mayor tiempo
de vida útil y pueden tener mayor capacidad de carga. Sin embargo, son más caras y
es difícil encontrar pilas en los formatos AA y AAA con esa tecnología.
Eliminador - Una alimentación de energía basada en una fuente de corriente directa,
puede cumplir también con el voltaje y corriente necesarios para el correcto
funcionamiento del circuito. Al usar una fuente de corriente directa el proyecto se
volvería mas ecológico y económico sin embargo se estaría suprimiendo la ventaja de
la portabilidad.
La decisión sobre la alimentación del proyecto se realizara de manera experimental,
debido a que se tiene que analizar si el circuito funciona de la misma manera tanto con
las baterías y el eliminador y de esta manera decidir cuál es la mejor opción.
2.3.6 Transmisión. La información registrada y procesada requier ser transmitida
a la computadora (o sistema de visualización) para ser vista por el usuario. Está
función debe servir como puente o interfaz entre el circuito eléctrico y la computadora.
Existen dos diferentes formas de transmitir datos: transmisión vía inalámbrica y
transmisión por cable.
Capítulo 2. Diseño conceptual y de configuración
39
La comunicación inalámbrica es aquella en la que el emisor y el receptor no se
encuentran unidos por un medio de propagación físico, sino que se utiliza
la modulación de ondas electromagnéticas a través del espacio. Sin embargo, la
trasmisión más sencilla de lograr con la menor interferencia, es la transmisión por
cable, para la cual existen diferentes protocolos de comunicación, los más comunes
son USB y RS232.
RS232 (Recommended standard 232). La interfaz RS-232 se define en las
especificaciones ANSI (American National Standard Institution) como “la interfaz entre
un equipo terminal de datos y un equipo de comunicación de datos utilizando un
intercambio binario en modo serie”. Los dispositivos son llamados DTE (Data Terminal
Equipment) como puede ser un ordenador y DCE (Data Circuit-terminating Equipment)
como puede ser un modem. El DTE usa un terminal macho mientras que al DCE se
conecta un terminal hembra y es el encargado de establecer y mantener la conexión,
como se puede observar en la figura 2.3.3.
Figura 2.3.3. Dispositivos con una comunicación ser ie: DTE y DCE.
Las características más importantes de este tipo de comunicación son:
• Velocidad máxima original de 20 kbps, hay aplicaciones que llegan a 116 kbps
• Longitud máxima del cable de 15 [m]
• Tensión en modo común máxima de +-25 [V]
• Impedancias de 3 a 7 [KΩ]
• Modo de operación simple
• Un emisor y un receptor
• Transmisión asíncrona o síncrona (usando líneas extra para el reloj)
Capítulo 2. Diseño conceptual y de configuración
40
USB (Bus de serie universal). Como su nombre lo sugiere, se basa en una arquitectura
de tipo serial. Sin embargo, es una interfaz de entrada/salida mucho más rápida que
los puertos seriales estándar. Trabaja como interfaz para transmisión de datos y
distribución de energía, que ha sido introducida en el mercado de PC´s y periféricos
para mejorar las lentas interfaces serie (RS-232) y paralelo. Esta interfaz de 4 hilos, 12
Mbps y "plug and play", distribuye 5V para alimentación, transmite datos y está siendo
adoptada rápidamente por la industria informática.
Es un bus basado en el paso de un testigo, semejante a otros buses como los de las
redes locales en anillo con paso de testigo y las redes FDDI. El controlador USB
distribuye testigos por el bus. El dispositivo cuya dirección coincide con la que porta el
testigo responde aceptando o enviando datos al controlador. Este también gestiona la
distribución de energía a los periféricos que lo requieran.
Emplea una topología de estrellas apiladas que permite el funcionamiento simultáneo
de 127 dispositivos a la vez. En la raíz o vértice de las capas, está el controlador
anfitrión o host que controla todo el tráfico que circula por el bus. Esta topología
permite a muchos dispositivos conectarse a un único bus lógico sin que los
dispositivos que se encuentran más abajo en la pirámide sufran retardo. A diferencia
de otras arquitecturas, USB no es un bus de almacenamiento y envío, de forma que no
se produce retardo en el envío de un paquete de datos hacia capas inferiores.
El sistema de bus serie universal USB consta de tres componentes:
• Controlador
• Hubs o Concentradores
• Periféricos
Para fines de este proyecto se utilizara la comunicación RS-232, debido a que es la
conocida por los integrantes del proyecto, por lo tanto se realizara por facilidad de
desarrollo y disminución de tiempo para el término del proyecto.
2.3.7 Visualizar. El usuario debe estar consciente de la actividad generada por el
músculo en entrenamiento por medio de la visualización en pantalla de su señal
mioeléctrica.
Capítulo 2. Diseño conceptual y de configuración
41
Una programación gráfica en una computadora ofrece muchas más posibilidades de
interacción y programación para más niveles de entrenamiento que un indicador
sencillo, que puede ir desde un arreglo de LED hasta un display gráfico, lo cual puede
resultar ser más económico y no necesitar de una computadora. Sin embargo, para
fines del prototipo de prueba, se ha decidido utilizar una computadora donde, por
medio de programación que permita visualizar algún tipo de animación, se complete el
sistema de biofeedback para realizar las primeras pruebas.
2.4 Diseño de Configuración.
Mediante el diseño de configuración se analizan y evalúan las distintas alternativas
para la distribución de los sistemas que conforman el prototipo. Esta distribución
puede ser representada mediante bosquejos, esquemas de dibujo, en papel o en CAD;
dichas representaciones establecerán las bases para el diseño de detalle, etapa en la
cual se requerirá de una mejor calidad y detalle en la representación de la
configuración y de los conceptos seleccionados.
Por facilidad de representación, fue necesario dividir el diseño en dos configuraciones
principales, una configuración electrónica y una configuración de ensamble.
Configuración electrónica.
La configuración electrónica consta esencialmente de los siguientes módulos.
• Módulo de pre amplificación.
• Módulo de tratamiento de la señal (o rectificación).
• Módulo de amplificación
• Módulo de protección.
• Módulo de filtrado.
• Módulo de transmisión.
Capítulo 2. Diseño conceptual y de configuración
42
La configuración electrónica básica se muestra en la figura 2.4.1. La manera en que
estos módulos se relacionen y en conjunto respondan a las pruebas de
funcionamiento, será determinante para elegir la configuración final, la cual puede
constar de todos o algunos de estos módulos.
Figura 2.4.1. Configuración electrónica básica del entrenador.
Circuito impreso.
El circuito impreso o PCB (del inglés Printed Circuit Board), tiene dos propósitos en la
construcción de un dispositivo electrónico; es el lugar para montar los componentes y
proporciona los medios de conexión eléctrica entre ellos. Están compuestos por capas
conductoras, separadas y soportadas por capas de material aislante laminado. A
continuación se enumeran los tipos de circuito impreso:
• Multicapa. Es lo más habitual en productos comerciales. Suele tener entre 8 y
10 capas, de las cuales algunas están enterradas en el sustrato.
• Doble capa con orificios metalizados. Es un diseño muy complicado de bajo
coste con taladros metalizados que nos permite hacer pasos de cara.
• Unicapa sin orificios metalizados. Se usa en diseños de bajo coste y sencillos.
• Doble capa sin orificios metalizados. Es sencillo con taladros sin metalizar,
sustrato de fibras de vidrio y resina. Hay que soldar por ambos lados para que
haya continuidad.
El circuito se diseñará para un prototipo de bajo costo.
Configuración de ensamble.
Capítulo 2. Diseño conceptual y de configuración
43
La configuración de ensamble es la manera en la que todos los componentes
(incluyendo la electrónica) del entrenador mioeléctrico se agrupan y se organizan.
Existen varias configuraciones posibles para el diseño final del entrenador, las cuales
se presentan a continuación.
Configuración de ensamble 1.
La primera configuración sugiere que todos los elementos electrónicos se encuentren
sujetados dentro de la carcasa y la fuente de alimentación fuera de ella.
Configuración 1.
Configuración de ensamble 2.
Capítulo 2. Diseño conceptual y de configuración
44
La segunda configuración propone fuera de la carcasa el módulo de amplificación y
más cerca de los electrodos, con lo cual se pretende disminuir la cantidad de ruido
amplificado, ruido que se genera por la longitud y movimiento de los cables que
conectan al circuito con los electrodos. Ambos circuitos se protegen y sujetan a su
respectiva carcasa.
Configuración 2.
Configuración de ensamble 3.
Capítulo 2. Diseño conceptual y de configuración
45
En esta configuración, la fuente de alimentación se encuentra dentro de la carcasa,
con lo cual, todo el entrenador tendría que estar conectado a manera de clavija a la
corriente eléctrica. Esta configuración pretende aumentar la portabilidad del dispositivo
disminuyendo el número de elementos sueltos.
Configuración 3
Configuración de ensamble 4.
Capítulo 2. Diseño conceptual y de configuración
46
Combina las configuraciones 2 y 3, con lo cual se pretende aumentar la portabilidad y
disminuir la cantidad de ruido en la señal.
Configuración 4
La opción seleccionada es la configuración 1, debido a su facilidad de diseño y
construcción como primer prototipo.
Capítulo 3. Diseño de detalle
47
Capítulo 3. Diseño de detalle.
El diseño de detalle es la parte del proceso de diseño en donde se definen las
dimensiones, tolerancias y ajustes de tal forma que cumplan con los requerimientos
establecidos para los componentes.
El diseño y la manufactura del entrenador mioeléctrico constan de varias partes las
cuales se detallan a continuación.
3.1 Adquisición de la señal.
3.1.1 Electrodos.
Los electrodos son una parte fundamental en el registro de señales musculares, pues
son por medio de los cuales se adquiere la actividad eléctrica del músculo, para ello
existen dos clases de electrodos (capítulo2, sección 2.3.1). Los electrodos convierten
corrientes iónicas (únicas presentes en los tejidos vivos) en corrientes de electrones
(las únicas que pueden circular por los conductores metálicos) [26].
Para la adquisición de la señal mioeléctrica se usarán electrodos superficiales, debido
a su fácil y rápida colocación y a que no son invasivos.
Todos los registros eléctricos exigen, como mínimo, dos electrodos. El electrodo de
registro cercano a la fuente de actividad que se registrará se llama electrodo activo o
explorador y el otro electrodo de registro se conoce como electrodo de referencia.
Electrodos Superficiales.
Estos electrodos pueden ser los utilizados en EEG (Electroencefalografía), de plata-
cloruro de plata, de 5 mm de diámetro, o los de succión, que consiste en una pequeña
goma con electrodo de plata/AgCl en su interior. Ambos electrodos, se aplican con una
pasta intermedia entre el electrodo y la superficie de detección, con el fin de disminuir
la impedancia.
En este trabajo se utilizan los electrodos 3M (Anexo B) figura 3.1.1, debido a que son
fáciles de conseguir en el mercado, son de un precio accesible y se han realizado
pruebas suficientes para comprobar su correcto funcionamiento, es decir, se encontró
Capítulo 3. Diseño de detalle
48
que estos electrodos cubren con los requerimientos necesarios para una buena
detección de la señal mioeléctrica. Tienen un diámetro activo de 10 [mm] y una
aleación de plata cloruro de plata (Ag-AgCl), lo que los hace estables y reductores de
ruido.
Figura 3.1.1. Electrodo 3M 2223
Para la colocación de los electrodos es importante que se prepare la piel, limpiándola
con alcohol para eliminar las posibles células muertas y grasas con el fin de bajar la
impedancia de la piel hasta aproximadamente 500[Ω]. Los electrodos de superficie, de
plata-cloruro de plata (Ag-AgCl), se colocan sobre la piel, debido a que son adhesivos
y contiene gel para mejorar el contacto.
Para la adquisición de la señal mioeléctrica se utilizan 3 electrodos, dos de los cuales
se ubicarán sobre el músculo de interés lo más cercanamente posible entre sí, debido
a que los espaciamientos más pequeños proporcionan registros más selectivos, dichos
electrodos son colocados con un distancia de 2 [cm] entre ellos. El tercer electrodo es
el de referencia (tierra o neutro), el cual es colocado sobre un tejido eléctricamente
inactivo (hueso o tendón) es necesario para proporcionar una referencia común a la
entrada diferenciada del preamplificador con el electrodo y su salida es usada para
cancelar el ruido que puede interferir con las señales entre los otros dos electrodos.
Para obtener la mayor señal posible, los electrodos deben localizarse en la parte más
gruesa, el centro del músculo (posición 1 en figura 3.1.2). Las entradas diferenciales
deben posicionarse en dirección de la fibra muscular. Las áreas marginales del
músculo son menos adecuadas, ya que hay menos unidades motoras en el área de
recepción de los electrodos (posiciones 3 y 4). La zona de inervación localizada
alrededor del tercio proximal del ombligo del músculo también debe evitarse, ya que la
interferencia de los potenciales de acción de las unidades motoras reduce la fuerza de
la señal en esa área (posición 2).
Capítulo 3. Diseño de detalle
49
Fig. 3.1.2 Influencia de la posición del electrodo en la señal de fuerza
3.1.2 Cables. Además de los amplificadores es necesario tener especial cuidado en la selección de
los cables con los que se conecta al sujeto mediante los electrodos hacia la entrada de
los amplificadores. Se recomienda que sean lo más cortos posibles y tener el menor
movimiento, porque esto incrementa el ruido en la adquisición de la señal.
3.2 Acondicionamiento de la señal.
3.2.1 Pre amplificación
Para la adquisición de la señal se utiliza un circuito integrado AD620, el cual es un
amplificador de instrumentación, dispositivo creado a partir de amplificadores
operacionales. Es un amplificador diferencial tensión-tensión cuya ganancia puede
establecerse de forma muy precisa y que ha sido optimizado para que opere de
acuerdo a su propia especificación aún en un entorno hostil. Está compuesto por
amplificadores diferenciales debido a que poseen mucha facilidad para trabajar con
señales diferenciales frente a las de modo común, es decir, van a permitir distinguir
entre señal y ruido.
Los amplificadores de Instrumentación amplifican la diferencia entre dos señales. Esas
señales diferenciales provienen de sensores, en este caso los electrodos. Se llama
Capítulo 3. Diseño de detalle
50
voltaje de modo común de la señal diferencial cuando las dos señales de entrada
presentan alguna señal de la misma amplitud, de manera que si los electrodos se
encuentran muy cerca uno del otro y los cables son trenzados entre si, en teoría, el
ruido en ambos canales será el mismo y como el amplificador amplificará la diferencia
de ambas, al ser iguales, se restan y en la salida idealmente se obtiene sólo la señal
de interés.
En la figura 3.2.1 se muestra la configuración básica de un amplificador de
instrumentación, el cual consta de tres amplificadores operacionales.
Figura 3.2.1. Configuración del amplificador de ins trumentación.
El amplificador de instrumentación de circuito integrado está construido internamente
de manera muy similar al mostrado en la figura 3.2.1, sin embargo en la fabricación de
este circuito los componentes fueron diseñados para tener solo pequeñas variaciones,
las cuales hacen que el circuito funcione de manera adecuada en amplios rangos de
ganancia y voltajes de operación. Adicionalmente muchos de los amplificadores de
instrumentación durante su producción cuentan con un control de calidad donde se
prueban las características de operación de los amplificadores de instrumentación.
Un amplificador de alta relación costo/desempeño, es el amplificador AD620 del cual
se pueden mencionar las siguientes características generales:
• La ganancia de voltaje es de 1 a 1,000
• La ganancia se coloca utilizando una sola resistencia
• Opera con voltajes bipolares de +- 2.3 a +- 18 volts
• Disponible en empaquetado de 8 pines
• Consumo de 1.3 [mA
• El desempeño en cc
offset
• Desvío máximo de 0.6
• En ca tiene un ancho de banda de 1
Dentro de las aplicaciones donde se utiliza se encuentran:
• Instrumentación médica
• Básculas electrónicas
• Amplificación de transductores
La figura 3.2.2 muestra el diagrama de terminales
Figura 3.2.2. Diagrama de terminales del Amplificador de instrume ntación.
El diagrama de terminales
instrumentación donde la salida est
Donde:
• El voltaje de entrada es el voltaje diferencial entre las terminales
positiva (V+) y negativa(V
• La ganancia G está
Capítulo 3. Diseño de detalle
Disponible en empaquetado de 8 pines
mA]
cc es excelente ya que solo tiene un máximo de 50
Desvío máximo de 0.6 [µV/°C]
tiene un ancho de banda de 120 [Khz]. con una ganancia de 100
Dentro de las aplicaciones donde se utiliza se encuentran:
Instrumentación médica
sculas electrónicas
Amplificación de transductores
l diagrama de terminales del AD620.
Diagrama de terminales del Amplificador de instrume ntación.
El diagrama de terminales de la figura 3.2.2, corresponde a un amplificador de
donde la salida está dada por la ecuación:
……………….……………(1)
El voltaje de entrada es el voltaje diferencial entre las terminales
) y negativa(V-).
á dada por la ecuación
………………….(2)
Capítulo 3. Diseño de detalle
51
es excelente ya que solo tiene un máximo de 50 [ µV] de
. con una ganancia de 100
Diagrama de terminales del Amplificador de instrume ntación.
corresponde a un amplificador de
El voltaje de entrada es el voltaje diferencial entre las terminales de entrada
Capítulo 3. Diseño de detalle
52
Se considera que la señal de entrada está compuesta de cinco elementos:
• La señal mioeléctrica deseada.
• Señales bioeléctricas no deseadas.
• Interferencia debida a la línea eléctrica de 60Hz y sus armónicos.
• Señales de interferencia debidas a la interacción electrodo-piel.
• Ruido debido a factores diversos (aparatos eléctricos principalmente).
La principal razón de ser del preamplificador diferencial es la de rechazar las señales
de la línea de alimentación las cuales se encuentran acopladas magnéticamente o
eléctricamente con el usuario [27].
Desarrollo del pre amplificador.
Como primera etapa de adquisición de la señal mioeléctrica, se debe realizar la etapa
de pre amplificación, esto es, un amplificador que permita preparar adecuadamente la
señal para ser posteriormente procesada y amplificada. Se empleó un amplificador de
instrumentación AD620 de Analog Devices. Para obtener una ganancia máxima de
1000 se calcula una resistencia de retroalimentación (resistencia de ganancia).
De la ecuación 2 se obtiene el valor de la resistencia de ganancia RG :
49.4Ω
1…………………… . . 3
En la figura 3.2.3 se muestra el esquemático del diseño del amplificador de
instrumentación. Dicho esquemático se realizó en Proteus.
Capítulo 3. Diseño de detalle
53
Figura 3.2.3. Esquemático del pre amplificador.
3.2.2 Convertidor RMS-DC
La señal pre amplificada por el AD620 entra directamente a un convertidor RMS a DC
“AD536” el cual es un circuito integrado que realiza una conversión del valor eficaz de
la señal a corriente continua. El AD536A calcula directamente el valor eficaz de
cualquier forma de onda de entrada que contienen componentes de ca y cc.
Una característica importante de este circuito integrado es que presenta una
protección completa tanto para las entradas como para las salidas. La entrada
del circuito puede tener voltajes de sobrecarga mucho más allá de los niveles de
suministro y no habrá ninguna falla por ello, así mismo la salida está protegida contra
cortocircuitos.
Este circuito funciona con 5 hasta 36 [V], según sus hojas de especificaciones, y su
diagrama de terminales se muestra en la figura 3.2.4.
Figura 3.2.4. Diagrama de terminales del AD536.
Capítulo 3. Diseño de detalle
54
Esta etapa de acondicionamiento es muy importante para el diseño del entrenador,
debido a que la señal mioeléctrica presenta un comportamiento muy caótico (figura
3.2.5 (a)), el cual no es útil para los fines de este proyecto, por lo tanto se requiere de
una señal transformada (figura 3.2.5 (b)) que le permita al usuario poder manejarla con
facilidad y así mismo sea fácilmente manipulada por el software de la interfaz gráfica.
(a) (b)
Figura 3.2.5. (a) Señal mioeléctrica antes del conv ertidor (b) Señal mioeléctrica después de l convertidor.
La figura 3.2.6 muestra la misma señal antes y después del convertidor en una sola
gráfica, con el fin de observar el comportamiento del convertidor.
Figura 3.2.6. Señal mioeléctrica antes (amarilla) y después del convertidor (azúl).
La figura 3.2.7 muestra el esquemático del diseño del convertidor RMS-DC en
Proteus, la entrada de este circuito proviene del amplificador de instrumentación.
Capítulo 3. Diseño de detalle
55
Figura 3.2.7. Esquemático del convertidor.
3.2.3 Amplificación
Una vez que la señal fue pre amplificada y fue rectificada se vuelve a amplificar para
aumentar su amplitud, para esto se utiliza otra etapa de amplificación con el AD620
pero ahora con una ganancia menor.
La configuración es la misma que la del pre amplificador, sin embargo como se utiliza
una ganancia más pequeña el valor de la resistencia de ganancia cambia. Por medio
de pruebas se verificó que la ganancia adecuada para esta etapa era de 50 por lo que
con este dato se calcula el valor de la resistencia por medio de la ecuación 3.
Por lo tanto se tiene que:
49.4Ω
50 1 1008.16
Dado que este valor no es comercial se busca el más cercano que es de 1[KΩ]. La
etapa de amplificación de la señal se muestra en la figura 3.2.8.
Capítulo 3. Diseño de detalle
56
Figura 3.2.8. Amplificación de la señal.
3.2.4 Filtrado.
Para acotar el rango de frecuencias con las que se trabajarán se diseñan dos filtros
uno paso bajas y otro paso altas con el fin de obtener un filtro paso banda, que sólo
nos permita el paso de las frecuencias en las que se encuentra la señal mioeléctrica.
Para el diseño del filtro paso altas se realiza un acoplamiento capacitivo en el
amplificador de instrumentación, colocando un capacitor en serie con la resistencia de
ganancia con el fin de eliminar frecuencias muy bajas cercanas al cero que nos son
propias de la señal mioeléctrica y son consideradas como ruido.
Esto se logra aprovechando la respuesta en frecuencia del capacitor, pues para
frecuencias muy altas los condensadores funcionan como cortocircuitos mientras que
a frecuencias bajas como circuito abierto. Cuando el capacitor funciona como
cortocircuito la caída de tensión de la resistencia será la misma tensión de entrada, lo
que significa que dejará pasar toda la señal.
Como la resistencia de ganancia es de 10 [Ω] la capacitancia debe ser de 1000µF
para obtener una frecuencia de corte de 16 Hz, con la cual se logra suprimir las
frecuencias de cc y de algunas señales biológicas como la respiración y la frecuencia
cardiaca.
Capítulo 3. Diseño de detalle
57
La frecuencia de corte se calcula de la siguiente manera:
HzFRC
fc 91.151010002
1
2
1 =Ω⋅⋅⋅
=⋅⋅⋅
=µππ ……………(4)
El filtro paso bajas que se implementó fue un filtro Butterworth de cuarto orden, el cual
produce la respuesta más plana que sea posible hasta la frecuencia de corte, que en
este caso es de 500 [Hz]. Este filtro es el único que mantiene su forma para órdenes
mayores (sólo con caída de más pendiente a partir de la frecuencia de corte). Para el
diseño de este filtro se utilizaron dos configuraciones Sallen-Key en cascada de
segundo orden.
Diseño del filtro Butterworth:
Se utilizó una configuración Sallen-Key, la cual es una práctica habitual para aumentar
el orden de un filtro. Se utilizó este tipo de configuración debido a que es muy simple
de implementar y es relativamente flexible con la tolerancia de los componentes.
El filtro paso bajas se diseño en un software llamado “Filterpro”, en el cual se coloca el
tipo de filtro, el orden, la frecuencia de corte y la configuración deseada y el software
calcula los valores de los componentes que satisfacen dichos parámetros, como se
muestra en la figura 3.2.9.
Figura 3.2.9. Diseño del filtro Butterworth en Filterpro.
La figura 3.2.10 muestra el esquemático del filtro en Proteus, en el cual la señal de
entrada viene directamente del circuito de protección para el microcontrolador (sección
3.4), con el fin de dejar pasar únicamente las frecuencias en donde la señal
mioeléctrica se encuentra.
Capítulo 3. Diseño de detalle
58
Figura 3.2.10. Esquemático del filtro.
3.3 Alimentación del circuito
Para la alimentación del circuito, se utiliza tanto un eliminador como una batería
recargable para cumplir con las especificaciones de practicidad y ligereza, de manera
que al agotarse la batería no se interrumpa el uso del entrenador al poder ser
conectado a la corriente eléctrica mientras la batería se recarga.
La batería a utilizar es una Ni-MH de 9V 300mAh por que cumple con las
características necesarias de voltaje y por la facilidad de conseguirla de manera
comercial. De acuerdo con las características de la batería, se elige un cargador capaz
de alimentar el circuito al mismo tiempo que la recarga, por ello, de manera
experimental, se determinan las características necesarias de salida de voltaje y
corriente del eliminador.
En la figura 3.3.1 se muestra el circuito implementado para cargar la batería, este
circuito entra en funcionamiento cuando se conecta el entrenador a la corriente
eléctrica por medio del eliminador (GND y VCC). Mientras la batería se carga se
mantiene encendido el led indicador, en el momento que la pila se encuentra cargada
completamente el led indicador se apagará y se podrá utilizar nuevamente el
entrenador únicamente con la batería.
Capítulo 3. Diseño de detalle
59
Figura 3.3.1. Circuito cargador de batería.
Los componentes del circuito requieren tanto voltaje positivo (Vcc) como voltaje
negativo (-Vcc o VEE) para funcionar de manera correcta, por lo que se utiliza un
dispositivo inversor de voltaje, esto es, se le suministra un voltaje positivo y éste nos
da como salida la misma magnitud de voltaje pero negativo.
El circuito utilizado es el IC7662, cuyo diagrama de terminales se puede observar en la
figura 3.3.2. Este circuito opera en el rango de +4.5 [V] a +20[V] con su
correspondiente conversión de voltaje de -4.5 [V] a -20[V].
Figura 3.3.2. Diagrama de terminales del ICL7662
El ICL7662 cuenta con un oscilador, un circuito de control y 4 switches power MOS
internos y requiere únicamente para su correcto funcionamiento dos capacitores
externos. Trabaja en un rango de temperatura de 0° [C] a 70° [C], está constituido
internamente como se muestra en la figura 3.3.3.
Capítulo 3. Diseño de detalle
60
Figura 3.3.3. Constitución interna del ICL7662
Durante la primera parte del ciclo, únicamente S2 y S4 están abiertos y el capacitor C1
es cargado al voltaje de entrada, que son 9[V], durante la segunda parte del ciclo, los
switches S1 y S3 se abren y los switches S2 y S4 se cierran. El capacitor C1 se
somete a un cambio negativo igual que el voltaje de entrada. Asumiendo switches
ideales (Ron=0) y que el C2 no está cargado, la carga es entonces transferida de C1 a
C2, de tal manera que el voltaje en C2 es igual que el voltaje de entrada pero negativo.
De esta forma se consigue la alimentación de la parte de adquisición y
acondicionamiento de la señal. En la figura 3.3.4 se muestra el esquemático del
circuito realizado en Proteus.
Figura 3.3.4. Esquemático del ICL7662.
Capítulo 3. Diseño de detalle
61
Después de la etapa de acondicionamiento de la señal, sigue la conversión analógica-
digital para poder visualizar la señal desde la computadora, dicha conversión se lleva a
cabo a través de un PIC, por lo que el voltaje de entrada 9[V] tiene que bajarse a 5 [V]
de manera que el PIC trabaje adecuadamente. Para esto se utiliza un regulador de
tensión positiva de tres terminales AZ7805, Vi voltaje de entrada, Vo voltaje de salida y
tierra, el cual convierte el voltaje de entrada a 5 [V], su esquemático de conexiones se
puede ver en la figura 3.3.5.
Figura 3.3.5. Diagrama de conexiones del 7805.
El circuito implementado en Proteus se puede observar en la figura 3.3.6.
Figura 3.3.6. Esquemático del regulador AZ 7805
3.4 Circuito de Protección Clipper.
El circuito clipper se diseñó para prevenir que la señal de salida del amplificador se
exceda de un determinado nivel de voltaje, 5 [V], sin distorsionar la parte restante de la
señal. Este circuito contiene tanto elementos lineales como las resistencias y
elementos no lineales como diodos o transistores, pero no contiene elementos que
almacenen energía como capacitores.
Capítulo 3. Diseño de detalle
62
Estos circuitos son usados para recortar la parte de la señal que sobrepasa el nivel de
voltaje de referencia, ya sea que se exceda por arriba o por debajo de este nivel. Así,
un circuito recortador puede eliminar ciertas partes de una forma de onda arbitraria
cerca de los picos positivos o negativos.
En este circuito se utiliza un diodo zener, el cual funciona como regulador de tensión;
es decir, como circuito que mantiene la tensión de salida casi constante,
independientemente de las variaciones que se presenten en la línea de entrada o del
consumo de corriente de las cargas conectadas en la salida del circuito.
El diodo zener tiene la propiedad de mantener constante la tensión aplicada, aun
cuando la corriente sufra cambios. Para que el diodo zener pueda realizar esta
función, debe polarizarse de manera inversa.
En la figura 3.4.1, se muestra el símbolo de diodo zener (A - ánodo, K - cátodo) y el
sentido de la corriente para que funcione en la zona operativa.
Figura 3.4.1. Diodo Zener.
Este circuito se implementó para proteger al PIC, de fluctuaciones o picos que el
voltaje pudiera llegar a tener, la figura 3.4.2 muestra el esquemático en Proteus del
diseño de este circuito.
Figura 3.4.2. Esquemático del circuito de protecció n del PIC.
Capítulo 3. Diseño de detalle
63
3.5 Microcontrolador (PIC)
Una vez que la señal mioeléctrica ha sido adquirida, acondicionada y procesada entra
al microcontrolador, para ser convertida en una señal digital, que pueda ser vista y
manipulada desde una computadora. El microcontrolador que se eligió fue el
PIC18F2550 de Microchip, figura 3.5.1, el cual pertenece a una gran familia de
microcontroladores de 8 bits (bus de datos) que tienen las siguientes características
generales que los distinguen de otras familias:
Figura 3.5.1. Microcontrolador 18F2550.
Arquitectura Harvard, se caracteriza porque la memoria de instrucciones y la memoria
de datos son independientes y cada una dispone de su propio sistema de buses para
el acceso, como se muestra en la figura 3.5.2.
16 8
Figura 3.5.2. Arquitectura Harvard del microcontrol ador [28].
Tecnología RISC "Reduced Instruction Set Computer", es un tipo de microprocesador
en el cual las instrucciones tienen un tamaño fijo y son presentadas en un reducido
número de formatos, sólo las instrucciones de carga y almacenamiento acceden a la
memoria de datos. Esto permite una ejecución más rápida de las instrucciones y por lo
tanto un incremento de velocidad.
Tecnología CMOS “complementary metal-oxide-semiconductor”, es una de las familias
lógicas empleadas en la fabricación de circuitos integrados (chips). Presentan un bajo
Memoria Programa Flash
(hasta 2MB)
Memoria de Datos
(hasta 4KB)
PIC18 RISC CPU
Capítulo 3. Diseño de detalle
64
consumo de potencia, gracias a la alta impedancia de entrada de los transistores de
tipo MOSFET y a que, en estado de reposo, un circuito CMOS sólo experimentará
corrientes parásitas. Gracias a su carácter regenerativo, los circuitos CMOS son
robustos frente a ruido o degradación de señal debido a la impedancia del metal de
interconexión.
La tecnología de fabricación está muy desarrollada, y es posible conseguir densidades
de integración muy altas a un precio mucho menor que otras tecnologías. Estas
características se conjugan para lograr un dispositivo altamente eficiente en el uso de
la memoria de datos y programa y por lo tanto en la velocidad de ejecución.
Microchip ha dividido sus microcontroladores en tres grandes subfamilias de acuerdo
al número de bits de su bus de instrucciones.
Subfamila
Bis del bus de
instrucciones
nomenclatura
Base-Line 12 PIC12XXX y PIC14XXX
Mid-Range 14 PIC16XXX
High-End 16 PIC17XXX y PIC18XXX
Tabla 3.5.1. Subfamilias de Microchip.
Variantes principales
Los microcontroladores que produce Microchip cubren un amplio rango de dispositivos
cuyas características pueden variar de la siguiente manera:
- Empaquetado (desde 8 pines hasta 68 pines)
- Tecnología de la memoria incluida (EPROM, ROM, Flash)
- Voltajes de operación (desde 2.5 v. Hasta 6v)
- Frecuencia de operación (Hasta 48 Mhz)
El microcontrolador 18F2550 es uno de los PIC de gama alta, tiene USB FLASH
mejorada y es un microcontrolador con tecnología nanoWatt, algunas de sus
características se elistan a continuación:
• Convertidor Analógico Digital
• 1K byte Dual Port RAM + 1K byte GP RAM
• Resistencias internas de Pull Up
Capítulo 3. Diseño de detalle
65
• Tres puertos serie: FS-USB (12 Mbit / s), I ² C ™ y SPI ™ (hasta 10 Mbit / s) ya
una asincrónica (LIN capaz) de serie puerto (EUSART).
• Grandes cantidades de memoria RAM para el almacenamiento en búfer
• Mejoras de memoria de programa FLASH
• Mientras esté en funcionamiento hasta 48 MHz
• Es el software y hardware más compatible con el PIC16C7X5
3.5.1 Conversión analógica a digital.
El uso de un microcontrolador es necesario en el desarrollo de este proyecto, debido a
que éste nos permite realizar una conversión analógica digital. La conversión
analógica-digital (CAD), consiste en la transcripción de señales analógicas en señales
digitales, con el propósito de facilitar su procesamiento (codificación, compresión, etc.)
y hacer la señal resultante (la digital) más inmune al ruido y otras interferencias a las
que son más sensibles las señales analógicas.
La conversión de señales analógicas a digitales implica la conversión de las primeras
a palabras binarias. En la figura 3.5.3 se muestran los elementos básicos de la
conversión analógica-digital.
Figura 3.5.3. Conversión analógica digital
En la conversión analógica-digital intervienen tres procesos, los cuales se describen
brevemente a continuación:
1. Muestreo: consiste en el proceso de conversión de señales continuas a
señales discretas en el tiempo. Este proceso se realizada midiendo la señal en
momentos periódicos del tiempo. La velocidad con que se toma esta muestra,
es decir, el número de muestras por segundo, es lo que se conoce como
frecuencia de muestreo.
Para el muestreo se sigue el teorema del muestreo de Nyquist, el cual dice
que, “una señal analógica puede ser reconstruida, sin error, de muestras
Muestreo y retención
Convertidor Analógico a
digital
Entrada
Señal analógica
Señal digital
Salida
Capítulo 3. Diseño de detalle
66
tomadas en iguales intervalos de tiempo. La razón de muestreo debe ser igual,
o mayor, al doble de su ancho de banda de la señal analógica". Como se
puede apreciar en la figura 3.5.4
Figura 3.5.4. Teorema del muestreo de Nyquist.
La teoría del muestreo define que para una señal de ancho de banda limitado,
la frecuencia de muestreo, fm, debe ser mayor que dos veces su ancho de
banda [B] medida en Hertz [Hz].
fm > 2·B
Nyquist mostró que, para que se pueda distinguir sin ambigüedad los
componentes frecuenciales de una señal, es necesario que se muestree al
menos al doble de la frecuencia máxima contenida en la misma, para evitar los
efectos del aliasing. La máxima frecuencia permitida en una señal para una
frecuencia de muestreo dada se denomina frecuencia de Nyquist. Realmente el
teorema de Nyquist no es tan riguroso, la frecuencia de Nyquist no es
necesario que sea el doble de la frecuencia máxima contenida en la señal, sino
el doble del ancho de banda de la señal de interés.
Por tanto, debido al procesamiento de la señal (valor rms) previo a esta etapa
de comunicación, se obtuvo una señal de cc con valores de rizo menores a los
10[Hz], cualquier frecuencia de muestreo que supere el ancho de banda de los
0 a 20[Hz], fue útil, por lo que se decidió usar el oscilador interno del
PIC18F2550, el cual oscila a una frecuencia de 1[MHz].
La cuantificación para este proyecto se realizó bajo la relación:
ó
2 1
Donde N es el número de bits del convertidor, que para el PIC18F2550 es de
10. Por tanto, si VIN es igual al voltaje de alimentación del circuito (5[V]), la
resolución será de 0.00488 Volts/bit.
Capítulo 3. Diseño de detalle
67
2. Cuantificación: en el proceso de cuantificación se mide el nivel de voltaje de
cada una de las muestras. Consiste en asignar un margen de valor de una
señal analizada a un único nivel de salida. Incluso en su versión ideal, añade,
como resultado, una señal indeseada a la señal de entrada: el ruido de
cuantificación. La cuantificación es un proceso irreversible, no invertible, ya que
siempre se produce una pérdida de información. [29]
3. Codificación: la codificación consiste en traducir los valores obtenidos durante
la cuantificación al código binario. Hay que tener presente que el código binario
es el más utilizado, pero también existen otros tipos de códigos que también
son utilizados.
La figura 3.5.5 muestra un ejemplo de las etapas en el proceso de la
conversión analógica digital de las señales (a) señal original, (b) señal
muestreada a ciertos intervalos de tiempo y (c) señal cuantificada. La señal es
codificada cuando se le asignan valores a la señal cuantificada.
Figura 3.5.5. Señal original (a), señal muestreada (b) y señal cuantificada (c) [30]
Durante el muestreo, la señal aún es analógica, puesto que aún puede tomar cualquier
valor. No obstante, a partir de la cuantificación, cuando la señal ya toma valores finitos,
la señal ya es digital, como se esquematiza en la figura 3.5.6.
Conversor A/D
Señal
analógica Señal en tiempo
discreto Señal
cuantificada Señal digital
Capítulo 3. Diseño de detalle
68
Figura 3.5.6. Digitalización de una señal analógica .
La conversión analógica digital se llevó en el compilador PIC C Compiler y el programa
que se utilizó para dicha conversión analógica y comunicación serial.
La figura 3.5.7 muestra la conexión del microcontrolador 18F2550.
Figura 3.5.7. Conexión microcontrolador PIC 18F2550 .
3.6 Transmisión.
Cuando la señal mioeléctrica analógica ha sido digitalizada, es posible su transmisión
a una interfaz gráfica. En el presente trabajo la transmisión de dicha señal es de tipo
serial RS-232 (capítulo 2, sección 2.3.6), se eligió este tipo de comunicación debido a
la facilidad de su programación y a que es ampliamente conocida por los integrantes
del equipo.
Típicamente, la comunicación serial se utiliza para transmitir datos en formato ASCII.
Para realizar la comunicación se utilizan 3 líneas de transmisión: (1) Tierra (o
Capítulo 3. Diseño de detalle
69
referencia), (2) Transmitir, (3) Recibir. Debido a que la transmisión es asincrónica, es
posible enviar datos por una línea mientras se reciben datos por otra.
Las características más importantes de la comunicación serial son la velocidad de
transmisión, los bits de datos, los bits de parada y paridad. Para que dos puertos se
puedan comunicar, es necesario que las características sean iguales.
a. Velocidad de transmisión (baud rate): Indica el número de bits por segundo
(bps) que se transfieren, y se mide en baudios (bauds). Las velocidades típicas
de transmisión son: 300, 600, 1200, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200
y últimamente empiezan a aparecer 230400, 460800 y 921600. La velocidad
de transmisión utilizada es de 115200 debido a que es la mayor velocidad
soportada por el PIC18F2550 y nos permite leer una cantidad suficiente de
datos por segundo, con lo cual evitamos pérdida de información [28].
b. Bits de datos: Se refiere a la cantidad de bits en la transmisión, que para este
caso es de 8 bits.
Para la comunicación en serie se requiere una computadora con al menos un puerto
serie, un microcontrolador previamente programado para leer y escribir a puerto serial
y un cable de conexión serial (terminal tipo hembra). Dado que las máquinas de hoy
en día ya no cuentan con una conexión tipo serial es necesario la utilización de un
cable convertidor usb-serial figura 3.6.1.
Figura 3.6.1. Cable convertidor usb-serial.
El cable de conexión serial que se utilizó tiene en una de sus terminales un conector
DB9 figura 3.6.2, ya que permite una transmisión asíncrona de datos según lo
establecido en la norma RS-232 (RS-232C).
Capítulo 3. Diseño de detalle
70
Figura 3.6.2. Pines del conector DB9 hembra [29].
La función de los pines del conector DB9 hembra se describe en la tabla 3.6.1.
# Pin E/S Función
1 Tierra de Chasis Se conecta internamente al chasis del dispositivo.
2 RXD E Recibir datos Por este pin entran los datos del dispositivo externo.
3 TXD S Transmitir datos Por este pin salen los datos para ir al dispositivo externo.
4 DTR S Terminal de datos listo Este pin realiza el control maestro del dispositivo externo.
Cuando este pin esta en 1, el dispositivo externo no transmite ni
recibe datos.
5 SG Tierra de señal Este pin es la referencia de la señal.
6 DSR E Equipo de datos listo Por lo general, los dispositivos externos tienen este pin con un
valor permanente de 0.
7 RTS S Solicitud de envío Esta parte del hardware se usa para “estrecharse la mano” entre
los dispositivos que se están comunicando. Si el dispositivo
externo está de acuerdo, pone un 0 en el pin que se llama Pista
Libre para Enviar Datos (CTS).
8 CTS E Libre de envío Ésta es la otra mitad del hardware usado para “estrecharse la
mano”. El dispositivo externo pone esta pata en 0 cuando está
lista para recibir datos.
9 RI S Timbre telefónico Este pin se usa sólo cuando un PLC (Programable
Logical Controller) está conectado a un módem. Tabla 3.6.1. Descripción de los pines del conector DB9 hembra.
Capítulo 3. Diseño de detalle
71
El cable usb-serial se conecta a cualquier puerto usb de la computadora, la terminal
serial del cable convertidor se conecta al conector DB9 hembra. Se conecta la terminal
de transmisión serial del microcontrolador al pin de recepción del cable (pin 2), la
terminal de recepción serial del microcontrolador al pin de transmisión del cable (pin 3)
y la tierra del microcontrolador con la tierra de la señal del conector (pin5).
Una vez que la información que se desea transmitir (señal mioeléctrica) es adquirida
por el microcontrolador, se necesita de otro circuito para comunicarlo con la
computadora, llevar los 5v del microcontrolador (pic) a las tensiones con la que trabaja
el puerto serie de la pc, por lo que es necesario el uso del circuito MAX232 cuyo
diagrama de terminales se puede apreciar en la figura 3.6.3.
El circuito integrado max232, es muy útil para comunicar una computadora con un pic
o cualquier otro microcontrolador. La computadora maneja voltajes de 8 a -8v, por lo
tanto no se puede conectar directamente a un microcontrolador que manejan voltajes
TTL. Por lo tanto es necesario este conversor de voltajes.
El max232 es una interface entre una señal RS232 que tiene tensión positiva y
negativa (10V aprox.), y una señal TTL que solo tiene tensión positiva (0V para nivel
lógico bajo y 5 V para nivel lógico alto), por lo tanto este chip se encarga de adaptar
las señales entre los niveles lógicos TTL (del microcontrolador) y los niveles RS232
(del ordenador). Solo es necesario colocar condensadores y alimentarlo con 5V, y
genera las tensiones necesarias para el RS232.
Figura 3.6.3. Diagrama de terminales del MAX232.
La figura 3.6.4 muestra el esquemático en Proteus del diseño de este circuito.
Capítulo 3. Diseño de detalle
72
Figura 3.6.4. Esquemático en Proteus del MAX232.
El circuito del entrenador con todas las etapas anteriormente mencionadas se muestra
en la figura 3.6.5 y su pcb para la impresión de la tarjeta entrenadora se muestra en la
figura 3.6.6, ambos esquemas fueron realizados en proteus por ISIS y Ares
respectivamente.
Figura 3.6.5. Esquemático en ISIS del circuito entren ador.
Capítulo 3. Diseño de detalle
73
Figura 3.6.6. Esquemático del pcb en ARES del circuit o entrenador.
3.7 Visualización.
La señal mioeléctrica es desplegada en la interfaz gráfica realizada en LabVIEW, el
código de la interfaz se divide en las siguientes secciones:
3.7.1 Pantalla de bienvenida
Se despliega la imagen que le dará la bienvenida al usuario, esta imagen aparece y se
va difuminando poco a poco para dar paso a la siguiente ventana del entrenador. La
imagen de presentación del entrenador se muestra en la figura 3.7.1.
Figura 3.7.1. Imagen de bienvenida del entrenador.
Capítulo 3. Diseño de detalle
74
El código se puede apreciar en la figura 3.7.2, la estructura en gris es una secuencia
de planos, en la cual los cuadros se van ejecutando secuencialmente, esto es, uno
después del otro. Este código hace que la imagen de bienvenida se vea con un 50%
de transparencia (primer cuadro) y así dure medio segundo (segundo cuadro) para
que se vaya apareciendo poco a poco hasta verse completamente, esto se lleva a
cabo dentro de un ciclo for (tercer cuadro del código), donde iteración por iteración se
va haciendo que la imagen se vaya haciendo cada vez más menos transparente, la
cual se quedará mostrada durante dos segundos y medio (cuarto cuadro).
Figura 3.7.2. Código para la imagen de bienvenida.
3.7.2 Plug and Play
Este programa se encarga de detectar si el entrenador ha sido o no conectado a la
computadora, mientras éste entra en contacto con el programa del microcontrolador,
aparece una imagen (figura 3.7.3) que dice que se está cargando el entrenador para
que el tiempo de espera sea menos pesado.
Figura 3.7.3. Imagen que parece mientras se detecta el entrenador.
Para lograr esto se disponen de varias imágenes, como se muestra en la figura 3.7.4,
que se van moviendo según el tiempo establecido en el reloj dentro del ciclo while (500
ms), y se van deslizando una a una, de modo que pareciera que es una sola imagen
en movimiento.
Capítulo 3. Diseño de detalle
75
Figura 3.7.4. Imágenes de conectando.
El código que permite el despliegue de las imágenes para indicar que la conexión se
está llevando a cabo se muestra en la figura 3.7.5. La estructura en gris es un ciclo
while, el cual hará iteraciones mientras el programa de LabVIEW trata de comunicarse
con el programa del microcontrolador, al buscar en todos los puertos y no encontrar
dicha comunicación el botón de stop se activara y por lo tanto se dejara de mandar la
imagen de que se esta intentando conectar para mandar la ventana de error.
Figura 3.7.5. Código para indicar que el entrenador se está conectando.
Si el entrenador no se detectó, LabVIEW, mandará una ventana de diálogo indicando
que el entrenador no fue detectado por la computadora, sea porque no se conectó o
se conecto erróneamente, figura 3.7.6, de modo que el usuario verifique la conexión
del mismo.
Figura 3.7.6 Ventana de error.
Capítulo 3. Diseño de detalle
76
El código para mandar la ventana de error se muestra en la figura 3.7.7.
Figura 3.7.7. Código para desplegar la ventana de e rror.
LabVIEW detecta únicamente al entrenador por medio de una comunicación especial
(cadena de caracteres específica) entre éste y el microcontrolador, de manera que si
se conecta a la computadora una impresora, un scaner o algún otro aparato por medio
de la comunicación serial, la computadora reconozca únicamente al entrenador como
tal y no entre en conflicto con los demás dispositivos. El código que realiza este
reconocimiento se muestra en la figura 3.7.8.
Figura 3.7.8. Código para realizar el plug & play.
3.7.3 Menú
Cuando el entrenador ha sido conectado correctamente se despliega en pantalla el
menú donde se encuentran los diferentes entrenamientos como se muestra en la
figura 3.7.9. El entrenador maneja cinco tipos de entrenamiento, los cuales son:
Capítulo 3. Diseño de detalle
77
• Entrenamiento por contracción máxima: consiste en mantener la señal
mioeléctrica por encima de un nivel de voltaje o umbral durante un determinado
tiempo, ambos valores (tiempo y umbral) pueden ser modificados por el
usuario. Cada que el usuario mantenga su señal mioeléctrica encima del
umbral durante el tiempo seleccionado, se contará una repetición.
• Entrenamiento por contracción mínima: con este tipo de entrenamiento el
usuario podrá ser capaz de aprender a relajar sus músculos. También aquí, los
valores del umbral y tiempo por repetición son fácilmente modificables por el
usuario.
• Entrenamiento por contracción controlada: consiste en mantener la señal
mioeléctrica en medio de dos umbrales por un tiempo determinado, de igual
manera que en los anteriores, el espacio entre los dos umbrales es
determinado por el usuario, así como el tiempo durante el cual se llevará a
cabo la repetición. Este entrenamiento es un poco más complejo, debido a que
exige más control sobre el músculo.
• Entrenamiento con umbral progresivo: su principio es igual al superior, sin
embargo en este tipo de entrenamiento el usuario define el número de
repeticiones que realizará antes de que el umbral incremente su valor. El
usuario tiene el control del valor del incremento y del número de repeticiones
que tendrá que realizar antes del cambio de umbral.
• Entrenamiento con umbral aleatorio: en este entrenamiento el umbral irá
variando de manera aleatoria, ya sea que incremente o decremente, por lo que
el usuario tendrá que ir adaptándose a estos cambios. El usuario determinará
el número de repeticiones antes de que el umbral cambie.
Además de los tipos de entrenamiento el menú tiene de un botón de stop, el cual
podrá detener el programa cuando sea desee salir de él y otro botón que despliega el
manual de usuario (Anexo D) que contiene información sobre los tipos de
entrenamiento, como manejar la interfaz gráfica y un índice de errores.
Capítulo 3. Diseño de detalle
78
Figura 3.7.9. Pantalla de menú del entrenador.
3.7.4 Pantalla de entrenamiento
Según la opción elegida en el menú se desplegara en pantalla el tipo de
entrenamiento deseado, figura 3.7.10. La señal mioeléctrica será desplegada en la
gráfica, el control del umbral consiste en una barra sobre la cual el usuario podrá
variar según el nivel de entrenamiento, el tanque de tiempo por repetición se va
llenando cuando el usuario mantiene su señal por encima del umbral durante el
tiempo establecido, éste tiempo es variable y su control se ubica por debajo del
mismo.
Cada que el usuario logre una repetición el indicador de repeticiones incrementará,
de manera que se tenga un indicador visual sobre cuantas repeticiones de
entrenamiento se lleva. A lado del tanque de entrenamiento se encuentra una
barra de descanso, la cual indicará el tiempo que se debe relajar el músculo
después de una serie de repeticiones.
Por debajo de la gráfica se encuentra un botón de regreso, con este botón se logra
acceder nuevamente al menú, ya sea para elegir otra opción de entrenamiento o
salir del programa.
Capítulo 3. Diseño de detalle
79
Figura 3.7.10. Pantalla de entrenamiento.
El código de cada entrenamiento se muestra a continuación.
Código entrenamiento superior figura 3.7.11.
Figura 3.7.12. Código entrenamiento superior.
Código entrenamiento medio figura 3.7.12
.
Figura 3.7.12. Código entrenamiento medio.
Capítulo 3. Diseño de detalle
80
Código entrenamiento progresivo figura 3.7.13.
Figura 3.7.13. Código entrenamiento progresivo.
Código entrenamiento aleatorio figura 3.7.14
.
Figura 3.7.14. Código entrenamiento aleatorio.
3.7.5 Programa base
Una vez que se tiene el código de cada programa por separado, se deben unir en
un solo programa el cual es el que se ejecutará. Todos los programas se deben
hacer sub vi´s o sub programas para que puedan ser llamados desde este
programa base como se muestra en la figura 3.7.15. Este programa es el
programa general del entrenador mioeléctrico, es el que se ejecutará una vez
inicializado.
Capítulo 3. Diseño de detalle
81
Figura 3.7.15. Código general del entrenador mioelé ctrico.
Capítulo 4. Pruebas
82
Capítulo 4. Pruebas.
El entrenador mioeléctrico es sometido a diferentes pruebas para verificar su
funcionalidad. Se realizan pruebas tanto con personas sanas como con personas con
alguna lesión muscular, con el fin de verificar que tenga el comportamiento esperado.
Así mismo se realizan pruebas con el circuito para verificar el orden de las etapas que
hacen que el circuito funcione de manera efectiva, se verifica y comprueba que todas
y cada una de las etapas son indispensables para el diseño y para el mejor
funcionamiento del dispositivo.
Estas pruebas se realizaron en los músculos flexores de mano izquierda, en un
paciente masculino, diestro y sin lesiones musculares, todas las pruebas fueron
realizadas con una alimentación de ca a cc de 12 [V] a 1.25 [A], bajo las condiciones
recomendadas para electromiografía tales como: cables de adquisición trenzados,
configuración bipolar, mínima distancia posible entre electrodos (3 [cm]) y una
adecuada preparación de la superficie de contacto. [31]
El primer módulo es el de amplificación con una ganancia máxima de 1000 y su
desempeño se muestra en la figura 4.1, esta imagen muestra solo la parte positiva de
la señal mioeléctrica, dado que para los fines del entrenador no se necesita la parte
negativa, esto se debe a la programación del microcontrolador, la señal mostrada
presenta un previo tratamiento de filtrado para eliminar frecuencias bajas (cc).
Figura 4.1. Amplificación de la señal.
Se realizó una prueba para verificar la importancia del filtro paso bajas, diseñado para
una frecuencia de corte de 400[Hz], el desempeño del filtro se muestra en la figura 4.2.
Capítulo 4. Pruebas
83
La señal de entrada proviene de un generador de funciones, es una señal sinusoidal a
una amplitud constante, se tomaron medidas para dos amplitudes diferentes, una a
10[V] y la otra a 1[V], con el fin de verificar su correcto funcionamiento con señales
pequeñas.
Figura 4.2. Desempeño del filtro paso bajas a 400[H z]
La ubicación de las etapas para la adquisición de la señal se realizó con base a la
hipótesis de que la señal tenía que ser amplificada para después rectificarla, pasar a la
etapa de filtrado y finalmente a la etapa de protección para el microcontrolador. Esta
configuración se muestra en la figura 4.3 y se implementó con el fin de observar el
comportamiento de la señal, la cual se muestra en la figura 4.4.
Figura 4.3. Configuración hipótesis.
0
2
4
6
8
10
12
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Am
pli
tud
de
la
se
ña
l d
e s
ali
da
[V
]
Frecuencia [Hz]
Señal a 10 [V]
Señal a 1 [V]
Capítulo 4. Pruebas
84
Figura 4.4. Respuesta de la configuración hipótesis .
Se puede observar en la figura 4.4 que la respuesta de esta configuración es buena,
sin embargo, al momento que se probó con una señal débil se observó que la
ganancia no era suficiente, por lo que se propuso el uso de otra etapa de
amplificación. La ganancia utilizada en esta primera configuración fue la máxima
soportada por el amplificador, la cual es de 1000.
La siguiente configuración que se propuso se muestra en la figura 4.5, con la cual se
pretendía aumentar aún más la amplitud de la señal, como se puede observar en la
figura 4.6 únicamente se le aumentó una etapa de amplificado a la configuración
previamente probada.
Figura 4.5. Primera configuración propuesta.
Capítulo 4. Pruebas
85
Figura 4.6. Respuesta de la primera configuración p ropuesta.
Como se puede observar en la figura 4.6, la señal mioeléctrica aumenta su amplitud al
amplificarla dos veces, las ganancias utilizadas fueron de 1000 en la pre amplificación
y de 50 en la amplificación, sin embargo se observa un aumento en el ruido de la
señal, haciéndola prácticamente inservible para el objetivo del entrenador. Por lo tanto
se decidió mover la etapa del filtrado al final, para tratar de disminuir el ruido en la
señal mioeléctrica, dicha configuración se muestra en la figura 4.7.
Figura 4.7. Segunda configuración propuesta.
El comportamiento de la señal mioeléctrica bajo esta configuración se puede observar
en la figura 4.8.
Capítulo 4. Pruebas
86
Figura 4.8. Respuesta de la segunda configuración e lectrónica.
Se observa que al colocar el filtro después de las dos amplificaciones, el ruido
disminuye considerablemente y la amplitud de la señal es aceptable, logrando una
señal útil para los fines del entrenador. Al realizar las pruebas en los diferentes tipos
de entrenamiento que se ofrecen, se pudo verificar que aunque esta señal resultaba
ser útil para los entrenamientos de contracción máxima, mínima, umbral aleatorio y
umbral progresivo, no era lo suficientemente buena para el entrenamiento por
contracción controlada, como se puede observar en la figura 4.9.
Figura 4.9. Respuesta de la segunda configuración e lectrónica en entrenamiento controlado.
El siguiente paso fue buscar una manera de disminuir a medida de lo posible el ruido
de la señal para que fuera apta para todos los tipos de entrenamiento propuestos, de
esta manera se decidió realizar una amplificación total de la señal para después
Capítulo 4. Pruebas
87
rectificarla y filtrarla, por lo que se realizó la configuración que se muestra en la figura
4.10.
Figura 4.10. Tercera configuración propuesta.
La señal en reposo que se obtuvo con la tercera configuración se puede observar en la
figura 4.11., la cual presenta un nivel de offset, de aproximadamente 1 [V].
Figura 4.11. Respuesta de la tercera configuración electrónica.
El offset de la figura anterior se debe a que el ruido ajeno a la señal mioeléctrica se
amplifica, se rectifica y se mantiene constante. La señal mostrada en la figura 4.12, es
el nivel de ruido obtenido al medir la señal del músculo en reposo directamente a la
salida de las dos etapas de amplificación.
Capítulo 4. Pruebas
88
Figura 4.12. Señal de salida de ambas etapas de amp lificación.
A partir de la señal obtenida se opto por implementar el filtro paso bajas como etapa
posterior a la amplificación y el resultado fue el que se muestra en la figura 4.13, se
puede observar que aún existe ruido en la señal, sin embargo, este nivel de ruido se
mantiene constante bajo diferentes ambientes y personas, por lo tanto se puede
suponer que es un ruido en su mayoría inherente de los componentes y se puede
eliminar en la etapa de rectificación.
Figura 4.13. Señal de salida posterior a la amplifi cación y filtrado.
Al ubicar el filtro después de las dos etapas de amplificación como se observa en la
cuarta configuración, figura 4.14 y reducir la ganancia del pre amplificador, se obtiene
una señal más limpia como se muestra en la figura 4.15.
Capítulo 4. Pruebas
89
Figura 4.14. Cuarta configuración propuesta.
Figura 4.15. Respuesta de la cuarta configuración e lectrónica.
Como se observa en la figura 4.15 la cuarta configuración propuesta suaviza la señal y
elimina el offset, haciéndola más útil para los diferentes tipos de entrenamiento. Esto
se logró ajustando el nivel de referencia del AD536 (convertidor rms a dc).
Por lo tanto se probó experimentalmente que la configuración con la mejor
funcionalidad, es la cuarta configuración (figura 4.14). Debido que bajo esta
configuración la señal mioeléctrica muestra un mejor comportamiento en todos los
tipos de entrenamientos aquí propuestos, especialmente el entrenamiento por
contracción controlada como se observa en la figura 4.16.
Capítulo 4. Pruebas
90
Figura 4.16. Respuesta de la cuarta configuración e lectrónica.
Al tener la configuración a utilizar y constatar que todas las etapas son parte esencial
del entrenador, se llevaron a cabo pruebas con una señal debilitada. Estas pruebas se
realizaron en los músculos flexores de mano izquierda, en un paciente femenino,
diestro y con lesión de plexo braquial izquierdo (Anexo A), todas las pruebas fueron
realizadas con una alimentación de ca a cc de 12 [V] a 1.25 [A], bajo las condiciones
recomendadas para electromiografía tales como: cables de adquisición trenzados,
configuración bipolar, mínima distancia posible entre electrodos (3 [cm]) y una
adecuada preparación de la superficie de contacto.
Se realizaron las pruebas con la paciente para constatar que las ganancias eran las
adecuadas para el buen funcionamiento del sistema con señales debilitadas, las
ganancias presentadas fueron de 500 en la etapa de pre amplificación y 50 en la etapa
de amplificación, la señal obtenida bajo esas ganancias se puede observar en la figura
4.17.
Capítulo 4. Pruebas
91
Figura 4.17. Respuesta de la cuarta configuración e lectrónica con lesión de plexo.
Esta señal es útil para el entrenador, sin embargo la paciente expreso que le costaba
un poco trabajo mantener su señal, por lo que se decidió hacer una re ajuste de
ganancias. En la etapa de pre amplificación se colocó una ganancia de 500 y en la
etapa de amplificación una ganancia de 1000 y el resultado obtenido se muestra en la
figura 4.18.
Figura 4.18. Respuesta de la cuarta configuración e lectrónica con lesión de plexo y con variación
en las ganancias.
Al hacer el cambio de las ganancias la paciente expresó que le era más fácil controlar
el entrenador, por lo que se decidió que la configuración final presentaría ganancias de
500 y 1000 en el pre amplificador y en el amplificador respectivamente.
Una vez que se definió la configuración final del entrenador, se realizaron pruebas con
una pila recargable, muy comercial y fácil de adquirir, marca SONY de 9 [V], Ni-MH /
Capítulo 4. Pruebas
92
400 mAh, con la finalidad de verificar su tiempo útil. Se verificó que la señal
mioeléctrica obtenida con el eliminador y con la batería presenta el mismo
comportamiento. La gráfica mostrada en la figura 4.19 muestra el desempeño de la
batería, con lo cual se determinó que esta se utilizaría para proporcionarle la
portabilidad al entrenador.
Figura 4.19. Comparación en el tiempo de vida de do s pilas de 9 [V].
Es importante mencionar que se realizaron pruebas con un filtro notch a 60 [Hz], el
cual aumentaba el ruido en la señal mioeléctrica, por lo que se decidió prescindir de él.
Las pruebas que se realizaron se pueden apreciar en las figuras 4.20 y 4.21, las
cuales son unas fotos comparativas del circuito con y sin el filtro notch
respectivamente.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Vo
lta
je d
e p
ila
[V
]
Tiempo [min]
Descarga de batería
Capítulo 4. Pruebas
93
Figura 4.20. Circuito entrenador con filtro notch.
Figura 4.21. Circuito entrenador sin filtro notch.
Como se puede observar en las imágenes, la señal mioeléctrica presenta más ruido
con la utilización del filtro notch, por lo que experimentalmente se constató que el
prescindir de este circuito ofrecía una mejor calidad de la señal.
Conclusiones
94
Conclusiones.
• Se diseñó un sistema de biofeedback denominado “entrenador mioeléctrico”, el
cual permite la adquisición de señales mioeléctricas de miembro superior. El
dispositivo diseñado adquiere la señal, la acondiciona y la transmite a la
computadora para que pueda ser desplegada desde la interfaz gráfica
diseñada, consiguiendo así que el usuario pueda tener conciencia de la
contracción y relajación del músculo que se requiere.
• El entrenador consta de cinco diferentes tipos de entrenamiento, lo cual lo hace
versátil, haciéndolo útil para las diferentes necesidades de uso que pueda
llegar a presentar.
• Se logró que los parámetros de entrenamiento fueran dinámicos, por lo que el
usuario puede variarlos según su conveniencia y necesidad, haciendo al
entrenador flexible ante los requerimientos del usuario.
• Los componentes que forman parte del entrenador se pueden encontrar en
cualquier casa de electrónica y son económicos, de manera que cuando un
componente llegará a fallar no se requiera pedirlos a otro país.
• Con base en pruebas, se obtuvo la mejor configuración electrónica para el
correcto desempeño del entrenador.
• El diseño del entrenador se apegó a los requerimientos del usuario, por lo que
el prototipo final cumple con lo especificado.
• Durante el desarrollo del entrenador se comprobó que la ubicación de los
electrodos es muy importante, debido a que se deben colocar donde la señal
mioeléctrica sea más fuerte, esto es, en la zona central del músculo de interés
y es muy importante que se coloquen paralelamente a las fibras musculares.
• El uso del microcontrolador pic18F2550 cumple con los requerimientos del
sistema diseñado y deja abierta la posibilidad de mejoras del dispositivo.
Conclusiones
95
• Después de varias pruebas con el usuario, se obtiene que la interfaz gráfica es
bastante amigable y los entrenamientos son rápidamente entendibles, el
usuario puede rápidamente familiarizarse con ella y con ayuda de el médico
rehabilitador, se puede realizar el entrenamiento correctamente.
• El manual de ayuda que se encuentra disponible en la interfaz del entrenador,
resultó ser muy práctico e indispensable, de manera que cualquier persona
entienda como funciona el entrenador y en qué consisten los distintos tipos de
entrenamiento sin la asesoría de un profesional.
• Las ganancias diseñadas y calculadas en las dos etapas de amplificación son
las adecuadas, lo cual se comprobó en la sesión de pruebas que se realizó con
un paciente que presenta lesión de plexo braquial (anexo A) con señales
mioeléctricas muy pequeñas. Se observó que sus señales se pueden
desplegar en la interfaz gráfica con la amplitud necesaria para poder realizar su
entrenamiento y retroalimentación.
• Se logró un diseño bastante pequeño (11x7 [cm]), y ligero (aprox. 500 [g]), lo
que lo hace práctico para poder trasladarlo de un lugar a otro y poder realizar
las rutinas de entrenamiento en el lugar que resulte más cómodo para el
usuario.
• Se logro implementar un circuito cargador de baterías dentro del dispositivo,
con lo cual se aumenta la portabilidad del dispositivo para facilitar su uso donde
el paciente lo prefiera y lo requiera. De igual manera el entrenador trabaja
mientras la pila se carga.
• Al implementarse estímulos auditivos al completar una repetición en cada uno
de los cinco entrenamientos, se obtuvo una respuesta favorable por parte del
paciente/usuario que comentó lo agradable que le resultaba saber, no sólo de
manera visual, sino también auditiva, que había logrado una repetición.
Se logró la construcción de un dispositivo con un único enfoque en
adquisición, procesamiento y despliegue de la señal mioeléctrica, por esta
razón se simplificó el número de componentes en el dispositivo por cual el
precio neto de estos lo hace más accesible a la mayoría de las personas con
alguna disfunción muscular.
Trabajo a futuro
96
Trabajo a futuro.
Este trabajo es el primero en la línea de investigación sobre los sistemas de biofeedback
que se realiza en el Departamento de Ingeniería Mecatrónica. Por lo tanto el resultado de
esta primera investigación es el primer prototipo funcional de un entrenador mioeléctrico.
Al ser el primer prototipo existen diferentes aspectos que se deben seguir desarrollando
para obtener un dispositivo que cuente con la tecnología de hoy en día y así se aumente
su eficacia y se obtenga un dispositivo capaz de competir con los existentes en el
mercado.
Se enlistan a continuación los aspectos que deben seguirse desarrollando:
1. Debido al tiempo que tomó diseñar , desarrollar y hacer pruebas del entrenador,
no fue factible la fabricación de la caja de protección del circuito, por lo que debe
realizarse para que la placa entrenadora se encuentre protegida y para que el
dispositivo se encuentre en su totalidad finalizado como primer prototipo funcional.
Algunos materiales que se consideraron para el diseño de la caja se encuentran
en el desarrollo de la tesis, por lo que será más fácil determinar cuál cumple mejor
con los requerimientos del diseño.
2. El tipo de comunicación que se realizó en este trabajo fue comunicación serial, sin
embargo, en la actualidad la mayoría de las computadoras ya no cuentan con un
puerto serie por lo que se necesita un cable adaptador para poder comunicar el
dispositivo con la máquina. El uso del cable representa un gasto extra que el
usuario tiene que hacer para poder hacer uso del entrenador, además de que al
usar un cable de conversión serie usb, se puede perder información y la velocidad
de transmisión se vuelve un poco más lenta. Lo mejor sería hacer que el
entrenador se conecte a través de un puerto usb. No es necesario cambiar el
microcontrolador para realizar esta mejora, solo se necesita reprogramarlo con un
nuevo programa que contenga el protocolo de la comunicación por usb y realizar
las adaptaciones correspondientes al conector usb en la placa impresa.
3. La interfaz gráfica presentada en el trabajo, aunque es muy funcional, podría
mejorarse haciéndola más estética a la vista, además de agregar “juegos”
Trabajo a futuro
97
pensando en que los niños que requieran terapia física puedan entrenarse y les
sean más divertidas y agradables las sesiones de entrenamiento/ejercicios, y lo
vean como un juego que tienen que ir superando.
4. Se puede extrapolar el diseño del circuito para registrar las señales de miembro
inferior, para lo cual se deben calcular otros filtros con las nuevas frecuencias y se
puede multiplexar para hacer una selección entre filtros para músculos del
miembro inferior o superior.
5. Se puede crear una base de datos con la información generada tras cada serie de
rutinas, datos como tiempo de duración por repetición, número de repeticiones y
series realizadas, así como el tiempo de entrenamiento. Esta información será útil
para registrar el progreso del paciente y mejorar el entrenamiento.
6. La placa del circuito puede ser utilizada para mover algún servomecanismo o
actuador como los utilizados en prótesis u ortesis. Este trabajo da pie a la
realización de una prótesis u ortesis mioeléctrica funcional.
7. Se debe buscar constantemente componentes electrónicos de menor consumo
eléctrico para mejorar el rendimiento de la batería y aumentar su portabilidad, al
mismo tiempo que sea más amigable con el medio ambiente.
8. Es indispensable realizar pruebas para comprobar su efectividad a mediano y
largo plazo, tomando en cuenta que dependiendo el tipo de lesión es el tiempo de
respuesta a la rehabilitación.
En un trabajo a futuro más completo se requiere de simplificar cada vez más el
dispositivo, haciendo dispensable el uso de la computadora, aumentando aún más su
portabilidad y haciéndolo más compacto.
Anexo A: Lesión de plexo
98
Anexo A.
Lesión de Plexo.
Anatomía del plexo braquial
Se denomina plexo a un entrelazado de estructuras vasculares o nerviosas. El
plexo braquial es un conjunto de ramas nerviosas cervicales anteriores ventrales que
se originan en C5, C6, C7, C8 y T1 (ver figura A1), y dan lugar a la mayoría de los
nervios que controlan el movimiento en los miembros superiores.
Figura A1. Plexo Braquial.
Anexo A: Lesión de plexo
99
Músculos que inerva
El plexo braquial proporciona inervación sensitiva y motora para todo el miembro
superior, excepto una zona adyacente al hombro, cuya sensibilidad depende de los
nervios supraclaviculares (plexo cervical), y la parte interna del brazo que depende de
los nervios intercostobraquiales (ramos del segundo y tercer nervios intercostales).
La Tabla A, muestra el nervio del plexo braquial, el músculo al que inerva y la
función que lleva a cabo en el miembro superior.
Nervio Músculo Función
Axilar(C5, C6) Deltoides
Abducción, flexión y rotación interna del
brazo (fibras anteriores).
Extensión y rotación interna del brazo
(fibras posteriores).
Redondo menor Rotación externa y abductor del brazo.
Supraescapular
(C5, C6)
Supraespinoso Abducción del brazo.
Infraespinoso
Rotación externa del brazo, abducción
las fibras superiores y aducción de las
mas inferiores.
Musculocutáneo
(C5, C6, C7)
Coracobraquial Flexión y aducción del brazo
Braquial Flexión del antebrazo.
Biceps braquial Flexión del antebrazo y brazo.
Supinación de la mano.
Mediano
(C6 – T1)
Palmar largo Flexión del antebrazo y brazo.
Supinación de la mano.
Flexor superficial de los
dedos
Flexión de la mano y de la 1° y 2°
falanges de los dedos de 2° a 5°.
Flexor largo del pulgar Flexor de la mano y dedo pulgar.
Pronador cuadrado Pronación de la mano.
Pronador redondo Pronación de la mano y flexión del
antebrazo.
Flexor radial del carpo Flexión y abducción de la mano.
Flexor profundo de los
dedos
Flexión de la mano y falanges de los
dedos 2° y 3°.
Anexo A: Lesión de plexo
100
Oponente del pulgar Oposición del pulgar.
Flexor corto del pulgar Flexión 1a falange del pulgar.
Abductor corto del
pulgar Abducción y flexión del pulgar.
Lumbricales (1° y 2°) Flexión 1a falange y extensión 2a y 3a
falanges de los dedos 2° y 3°.
Cubital
(C8 – T1)
Flexor cubital del carpo Flexión y aducción de la mano.
Flexor profundo de los
dedos
Flexión de la mano y falanges de los
dedos 3° y 4°.
Aductor del pulgar Aducción del pulgar.
Lumbricales (3° y 4°) Flexión 1a falange y extensión de 2a y
3a falanges de los dedos 3° y 4°.
Interóseos dorsales Como lumbricales y abducción de los
dedos.
Interóseos palmares Como los anteriores y aducción de los
dedos.
Abductor del meñique Abducción del meñique.
Oponente del meñique Oposición del meñique.
Flexor corto del
meñique Flexión 1a falange del meñique.
Radial
(C5 – C8)
Tríceps braquial Extensión del antebrazo y aducción del
brazo.
Braquiorradial Flexión del antebrazo.
Extensores radiales
corto y largo del brazo Extensión y abducción de la mano.
Extensor cubital del
carpo Extensión y abducción de la mano.
Extensor de los dedos Extensión de la mano y dedos.
Supinador Supinación del antebrazo.
Abductor largo del
pulgar. Abducción y extensión del pulgar.
Extensores cortos del
pulgar. Extensión y abducción del pulgar.
Extensor largo del
pulgar Extensión y aducción del pulgar.
Anexo A: Lesión de plexo
101
Extensores de índice y
meñique Extensión del dedo respectivo.
Tabla A. Nervios del plexo, músculo al que inerva y su función en miembro superior.
Las figuras A2 y A3 muestran de manera más ilustrativa que músculo esta inervado
porque nervio del plexo. La figura A2 muestra el brazo en general mientras que la
figura A3 muestra la mano.
Figura A2. Músculos del brazo inervados por el plex o braquial.
Anexo A: Lesión de plexo
102
Figura A3. Músculos de la mano inervados por el pl exo braquial.
Anexo A: Lesión de plexo
103
Lesión de plexo.
Las lesiones del plexo braquial son causadas por estiramientos excesivos,
desgarros u otros traumatismos a una red de nervios que van de la columna vertebral
al hombro, el brazo y la mano. Los síntomas pueden incluir un brazo inválido o
paralizado, pérdida del control muscular del brazo, la mano o la muñeca y falta de
sensibilidad o sensación en el brazo o la mano. Las lesiones se producen a menudo
como consecuencia de accidentes vehiculares, lesiones deportivas, heridas de armas
de fuego o cirugías; muchas lesiones del plexo braquial se producen al nacer, si los
hombros del bebé quedan atascados durante el proceso del nacimiento y los nervios
del plexo braquial se estiran o desgarran [31].
Tipos de lesiones.
Las lesiones de plexo braquial pueden clasificarse de acuerdo a su gravedad, como
se enumera a continuación:
1. Por desgarre del plexo a nivel de raíz nerviosa en la espina dorsal, conocido
como avulsión.
2. Por desgarre del nervio a nivel diferente de la raíz, también llamado ruptura.
3. Por cicatrización del segmento con lesión agregando presión al nervio
ocasionando una interrupción en la señal nerviosa, también conocido como
neuroma.
4. Por estiramiento pero no desgarre del nervio, el cual puede sanar por sí mismo.
Está condición temporal es también llamada praxis.
El músculo denervado puede causar desbalance general resultando en
deformidades músculo esqueléticas en codo y hombro. También el desarrollo del
brazo afectado se ve comprometido resultando en un miembro más corto.
Las lesiones del plexo braquial causan parálisis parcial de uno o ambos brazos con
lesión temporal o, cuando el nervio no puede sanar completamente, permanente. Al
mismo tiempo que compromete las funciones musculares y la habilidad de sujetar,
extender y de alcance con el miembro afectado, la lesión puede también afectar la
apariencia física del brazo.
Anexo A: Lesión de plexo
104
El plexo braquial se puede dañar de diferentes maneras, incluidos accidentes en
condiciones de alto impacto (automóviles, motocicletas, etc), pero la mayoría de estas
lesiones ocurren durante el nacimiento con una condición médica llamada distocia de
hombro. El hombro del bebe se atora con el hueso púbico de la madre y varias
maniobras deben realizarse para completar el parto, pero en el proceso, se aplica una
fuerza excesiva al cuello y cabeza del bebe resultando en estiramiento y/o desgarre
del plexo braquial.
Se definen varios tipos de lesiones obstétricas de plexo braquial, tales como
Parálisis de Erd (lesión del tronco superior), Parálisis de Klumple (lesión del tronco
inferior), Síndrome de Horner (cuándo los nervios faciales se ven afectados), y
“Burners” o “Stingers” (usualmente asociados con lesiones por deportes) [32].
Lesiones obstétricas.
Parálisis de ERB (Duchene): afectación de C5 y C6 (algunos autores incluyen C7).
Separación de la cabeza humeral por rotación interna del brazo con extensión del
codo sin afectación de la mano, generalmente debido a accidentes de moto u
obstétricas. Parálisis de deltoides, biceps, romboides, braquiopradial, supra e
infraespinoso y ocasionalmente el supinador.
Parálisis de Klumpke: afectación de C8 y D1 (algunos autores incluyen C7), por
tracción del brazo en abducción en caídas o tumor de Pancoastcon síndrome de
Horner posible si se afecta a D1.
Aunque muchos de los niños con algún grado de parálisis se recuperan muy
rápidamente, existen algunos que la parálisis persiste y su recuperación no es
completa e incluso pobre. Los resultados en este grupo de pacientes son mucho
mejores si se realiza una intervención precoz. El valor de los estudios
electroneurofisiológicos para la predicción de la recuperación de la parálisis braquial
obstétrica es dudoso, a diferencia de los adultos, y por lo tanto los factores pronósticos
se basan actualmente en el examen clínico (extensión de la afectación) y la evolución
durante los primeros meses de vida [33].
Anexo A: Lesión de plexo
105
Más de un tronco del plexo braquial puede ser dañado bajo cualquiera de las
condiciones antes mencionadas, resultando en un único conjunto de lesiones de los
diferentes nervios para cada individuo.
La terapia física es muy importante para fortalecer músculos parcialmente
denervados y de algún otro músculo para mejorar el rango de movimiento de la mano,
brazo, codo y hombro. También, la terapia física ayuda a minimizar la atrofia de las
articulaciones.
Anexo B: Electrodos 3M
106
Anexo B. Hoja de especificaciones para los electrodos 3M 2223 3M™ 2223 Monitoring Electrode
Small Monitoring Electrode with hypoallergenic, acrylic adhesive for
short term applications. Primary use in Operating Room and
Emergency Room.
Additional Information
• This electrode is ideal for short term monitoring, providing reliable adhesion
for up to 24 hours.
• It is suited to all ECG monitoring situations and its small size allows it to have
a universal function, suitable for both adult and paediatric patients.
• The fluid resistant foam tape backing and sticky gel surround allow the
electrode to be comfortable to wear, skin friendly, easy to handle and quick to
apply.
Features:
- Size : diameter 3 cm
- Thickness : 0.8 cm
- Backing: foam
- Adhesive : Hypoallergenic, acrylic adhesive
- Conductor: Dry gel, hydrophilic synthetic polymer
Benefits:
- Easy to handle and apply
- Conformable
- High patient comfort
- Adult and paediatric use
- Fluid resistant
Anexo B: Electrodos 3M
107
- Added tab for easy removal
- Quick and reliable trace
- Latex free
The 3M™ 2223 Monitoring Electrode fulfills the AAMI EC-12 ( 2000) standard. It is a
class I medical device ( MDD 93/42).
Anexo C: Programa del microcontrolador
108
Anexo C. Programa en C para PIC18F2550 con convertidor AD y comunicación serie por protocolo RS-232
#include <18F2550.h>
//Configuración de fusibles
#FUSES NOWDT //No Watch Dog Timer
#FUSES NOPUT //No Power Up Timer
#FUSES NOPROTECT //Code not protected from reading
#FUSES NOBROWNOUT //No brownout reset
#FUSES NOLVP //No low voltage prgming, B3(PIC16) or B5(PIC18) used for
I/O
#FUSES NOCPD //No EE protection
//Configuración del convertidr analógico-digital a 10 bits
#device adc = 10
//Configuración de resonador externo de 20MHz
#use delay (crystal=20000000) //cristal externo de 20MHz
//Config RS232; Velocidad tx = 115200; tx por C6 y rx por C7
#use rs232(baud=115200, xmit=PIN_C6, rcv=PIN_C7)
//Declaración de variables
float volts; //volts = punto flotante. Valor final desplegado en pantalla
int16 value; //value = entero de 16 bit. Valor obtenido de la conversión AD
int1 done = adc_done(); //done = entero de 1 bit (1 o 0). Bandera de fin de conversión
AD.
char c;
//Servicio de interrupción por recepción RS232
#int_rda
void serial_isr()
Anexo C: Programa del microcontrolador
109
c=getc();
if(c=='a')
putc('b');
else
printf("%2.4f\r", volts);
//getc();
//Programa principal
void main()
enable_interrupts(GLOBAL); //Habilita interrupción global
enable_interrupts(INT_RDA); //Habilita interrupción por recepción RS232
setup_adc_ports(AN0); //Configuración del puerto A0 como entrada analógica
para conversion AD
setup_adc( ADC_CLOCK_INTERNAL ); //Reloj de conversión: el interno del
convertidor
set_adc_channel( 0 ); //Especifica el canal a ser usado para la conversión AD.
while (done==1)
value = read_adc();
volts= 5.0*value/1024.0; // Volts = Vdd*read_adc/2^n ; n=10
//Servicio de interrupción por recepción RS232
#int_rda
void serial_isr() // Interrupción recepción serie USART
printf("%2.4f\r", volts);
getc();
Referencias Bibliográficas
110
Referencias.
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13a. Edición.
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segunda edición.
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membrana, del nervio y del músculo”. España: McGraw-Hill interamericana,
decimoprimera edición.
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Nava http://kim.ece.buap.mx/posgrado/propuestas/pdfs/HGGH03.pdf
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[13] Muzumdar Ashok, “Powered Upper Limb Prostheses: Control, Implementation and
Clinical Application”. Editorial Springer.
[14] Sanzano Viadé Albert, “Psicología del rendimiento deportivo”, Ed. UOC, 2003.
[15] Éric Viel, Michèle Esnault, “La marcha humana, la carrera y el salto. Biomecánica,
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Mesografía.
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[8] http://www.mindcreators.com/Images/NB_IonFlow.gif
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[17] http://www.clinicaserenita.com.mx/biofeedback.htm
[22] http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/10489
http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/10862
[25] http://www.barradelaton.com
[28] http://digital.ni.com/public.nsf/allkb/039001258CEF8FB686256E0F005888D1
[29] http://pcexpertos.com/2010/01/conector-serial-com-1-o-conector-db9.html
[30] http://www.dliengineering.com/vibman-spanish/conversindeanlogoadigital2.htm
[31]http://www.christopherreeve.org/site/c.lqLPIXOAKnF/b.4636669/k.7703/Lesi243n_d
el_plexo_braquial.htm
[32] http://www.ubpn.org/?option=com_content&view=article&id=106&Itemid=91
[33] http://www.neurocirugia.com/diagnostico/lesionplexobraquial/lesionplexobraquial.htm
Objetivos y Alcances.
1
Objetivo:
Diseñar un sistema de biofeedback, que permita la adquisición de señales
mioeléctricas y las despliegue en el monitor de cualquier computadora, a manera de
entrenador mioeléctrico y con componentes de fácil adquisición.
Objetivos particulares:
El entrenador mioeléctrico dispondrá de distintos tipos de entrenamiento, con el fin de
que el usuario pueda elegir el tipo de entrenamiento que más le agrade o el que más
se ajuste a sus necesidades.
La interfaz gráfica será lo más amigablemente posible, de manera que el usuario
pueda entenderla fácilmente. Los parámetros de entrenamiento como por ejemplo el
tiempo de cada repetición, el nivel de voltaje a superar (umbral), entre otros, deberán
de ser dinámicos, esto es, que el usuario pueda manipularlos según sus necesidades
durante cada etapa de su entrenamiento.
Alcances:
• Se realizará el diseño conceptual, de configuración y de detalle de las etapas
necesarias para la adquisición de la señal mioeléctrica, así como de los
circuitos eléctricos que componen el entrenador mioeléctrico.
• Se presentará una serie de pruebas del entrenador, tanto con personas sanas,
como con personas con alguna lesión muscular para comprobar su correcto
funcionamiento en ambas, de igual manera se harán pruebas para comprobar
que todas las etapas diseñadas son necesarias y por último se comparará la
señal adquirida con diferentes configuraciones electrónicas, para corroborar
que la seleccionada es la más óptima.
• Se realizará el diseño de la interfaz gráfica, el protocolo de comunicación así
como el código de cada uno de los tipos de entrenamiento.
• Se realizará el diseño de una tarjeta preliminar para la obtención de señales
mioeléctricas.